1月22日，《國家科學評論》（National Science Review）在線發表了恒达平台材料科學與工程學院許維教授團隊的最新科研成果“On-surface synthesis and characterization of polyynic carbon chains”。該項研究首次在表面成功合成了一維碳原子鏈，最長的含有~120個碳原子，並精細表征了其聚炔型化學結構。此外，該研究首次在絕緣襯底NaCl上測量了含有14個碳原子的線型碳本征電子學性質🦶🏼。該工作合成的碳結構有望應用於未來的分子電子學器件中。

碳在自然界中有多種形式，比如大家熟知的鉆石和石墨，也有一些是科學家人工合成或製備的新穎碳納米材料✴️，包括足球烯（1996年諾貝爾化學獎）💆🏻‍♀️、碳納米管、石墨烯（2010年諾貝爾物理獎）等。不同形式的碳材料⛽️🤦‍♂️，其物理化學性質迥然不同🤟🏿，每種碳材料的具體形式取決於每個碳原子周圍與之成鍵的原子數目。當每個碳原子和周圍四個原子成鍵時就形成了自然界中天然存在的最堅硬的物質——鉆石👨🏼‍🦳，而和周圍三個原子成鍵時則形成了質軟的石墨。

當每個碳原子只和周圍兩個原子成鍵時📼，會形成零維的碳環（即環型碳）或一維的碳鏈（即線型碳）。碳鏈的存在和發現一直存在著很大的爭議🪢。它的發現可以追溯到上個世紀60年代，蘇聯科學家號稱在隕石中發現了一維的碳鏈結構，並將其命名為卡拜（Carbyne）（Polymer Science U.S.S.R., 2, 148, 1961）。與傳統的一維碳同素異形體碳納米管不同，卡拜是更為極限的一維結構🤦🏽‍♀️，它的橫截面尺寸小到只有一個碳原子。卡拜也因其獨特的結構而被理論預測為已知的機械強度最強的材料（ACS Nano, 7, 10075, 2013）。然而，由於這類碳結構具有很高的反應活性，其人工合成極具挑戰性。此外，每個碳原子和周圍兩個原子的成鍵方式一直還存在爭議，即鍵長均等的累積烯烴型（連續的雙鍵）還是不等的聚炔型（單鍵和三鍵交替）🤹。因此，它們撲朔迷離的結構和穩定性這些最基本的問題吸引了實驗學家和理論學家極大的興趣🤺。

為了穩定長碳鏈，添加末端基團是製備不同長度碳鏈的常見有機合成策略，迄今為止報道的最長的端基穩定的聚炔型碳鏈是由34個連續的碳碳三鍵（68個碳原子）組成（Nat. Chem., 2023, doi.org/10.1038/s41557-023-01374-z）✍🏻。

表面在位合成（On-surface synthesis）在原子級精準製備高反應活性的一維碳納米結構方面一直是一種有效的策略。在該研究中⚾️🍑，許維團隊利用表面合成方法，以C₄Br₆為前驅體，通過脫鹵聚合及後續的脫金屬反應🦬，在Au(111)表面合成出不含末端基團的碳鏈，其中最長的達到了15納米，含有約60個連續的碳碳三鍵（120個碳原子）🪷。化學鍵分辨的AFM清楚地表征了碳鏈的聚炔型結構，即單鍵和三鍵重復交替。

圖1 聚炔型碳原子鏈的表面合成策略、化學結構表征以及電子學性質測量

此外，團隊還對碳鏈的本征電子學性質進行了原位測量，設計了另一種全鹵代的蒽（C₁₄Cl₁₀）作為前驅體分子🥣。而後將分子放在“手術臺上”（氯化鈉薄膜）並將其“麻醉”（液氦4.7 K凍住），利用STM針尖作為“手術刀”對其進行“手術”（原子操縱），進而誘導該分子完全脫鹵並伴隨發生開環（ring-opening）👇，最終成功地在表面上精準合成了含有14個碳原子的線型碳🚴🏽‍♀️，並對其本征電子學性質進行了測量，測得其帶隙約為5.8 eV。

該工作極大推動了線型碳領域的發展，提出的表面合成策略有望作為一種合成無端基碳鏈的普適性方法。同時合成的線型碳有望發展為新型半導體材料，並在分子電子器件中有著廣闊的應用前景。

恒达平台為論文的唯一完成單位，許維教授為論文的唯一通訊作者，團隊成員高文澤為第一作者。該研究得到了國家自然科學基金傑青項目的資助👨‍🦼‍➡️。

論文鏈接：https://academic.oup.com/nsr/advance-article-abstract/doi/10.1093/nsr/nwae031/7585363?utm_source=advanceaccess&utm_campaign=nsr&utm_medium=email