碳是一種很常見的非
金屬元素，它以多種形式廣泛存在于大氣和地殼和生物之中，是構成生物的基本元素之一。與此同時碳還是一種非常“多變”的元素，即便沒有其他元素參與，它的家族中依舊存在許多特殊的“成員”。他們之中，有的堅固無比，被包裝成愛情的象征，有的又薄如蟬翼，構建起美妙的數字世界；還有的柔軟細膩，在紙上揮灑著文采……而直至今日，碳的家族仍舊在不斷擴張。
近日，同濟大學材料科學與工程學院科研團隊成功合成了分別由10個或14個碳原子組成的環(huán)形純碳分子材料，為碳家族新添兩名未來可期的成員。而相關的成果也已經以論文的形式發(fā)表于國際學術期刊《自然》，感興趣的讀者可以去搜索學習，論文題目為《表面合成芳香性環(huán)型碳C10和C14》。
什么是環(huán)形碳？
碳構成的物質(同素異形體)其特殊特性是其結構決定的，例如鉆石的堅固源于每個碳原子和周圍四個原子成鍵，石墨則是每個碳原子與周圍三個源自成鍵——簡單的說，細微的結構差距都可以讓碳物質的特性天差地別。而環(huán)形碳的結構簡單的說就是每個碳原子只和周圍兩個原子成鍵，這種類型的機構具備很高的反應活性，因此很不穩(wěn)定，自然界也很難存在——這也是為什么人工合成環(huán)形碳困難的原因，甚至因此環(huán)型碳中每個碳原子和周圍兩個原子的成鍵方式一直還存在爭議，實驗學家和理論學家也爭先恐后的嘗試解決環(huán)形碳的穩(wěn)定系問題。
而目前人們熟知的C18環(huán)碳，其實誕生于2019年，當時IBM實驗室與牛津大學研究團隊合作，也能夠實驗驗證了C18為單鍵和三鍵交替的聚炔型結構，但與此同時也證明了想要合成更小的環(huán)形碳十分困難。也就在差不多時間，有理論預測C10是環(huán)型(n ≥ 10)和線型(n < 10)的分界點，同時也是最大的芳香性累積烯烴型環(huán)型碳。這也是為什么同濟大學此次的成果能夠引發(fā)學界的熱烈討論。
用“手術”的方式合成“碳”
據悉，這次C10和C14的合成方式采用了全新的思路，團隊先設計了全鹵化萘(C10Cl8)和蒽(C14Cl10)兩種前驅體分子，之后利用液氦4.7K將它們凍住，并利用STM針尖進行原子操縱，誘導兩種分子完全脫鹵并伴隨發(fā)生反伯格曼開環(huán)反應。此外，在合成的C10和C14上，團隊還發(fā)現(xiàn)，新的碳異形體均具有累積烯烴型的結構，其中C10完全沒有鍵長交替，而C14存在一個非常小的鍵長交替。
而從結果上來說，這項研究用實驗的方式合成并表征了C10及C14的結構，為相關環(huán)碳研究提供了重要依據。并且在推動環(huán)型碳領域的發(fā)展的同時，也為
電子器件的發(fā)展提供了新的理論基礎——合成環(huán)形碳被認為是一種具備潛力的
半導體材料。
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