環型碳C₁₀和C₁₄的表面合成策略與化學結構表征

碳是一種常見的非金屬元素，碳材料在自然界中有多種形式，其具體外在表現形式取決于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堅硬透明的物質——鑽石；當它和周圍三個原子成鍵時，則形成了質軟黑色的石墨。

當每個碳原子隻和周圍兩個原子成鍵時，會形成環形純碳分子（即環型碳，C_n）。由于這種類型的碳結構具有很高的反應活性，極不穩定，在自然界中并不是天然存在的，而人工合成又極具挑戰性。此外，在環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争議，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。許多團隊嘗試合成環型碳但并未獲得成功，一些氣相的實驗雖然顯示存在環型碳的迹象，但是難以分離提純并進一步表征它們的結構。

直到2019年，IBM實驗室與牛津大學研究團隊制備出單個的環型碳C₁₈，首次從實驗上驗證了C₁₈為單鍵和三鍵交替的聚炔型結構。然而，環型碳是一個大家族，對于更小的環型碳，它們的合成由于尺寸太小變得更具挑戰性。此外，它們的結構和穩定性仍然讓人難以捉摸。特殊的是，有理論預測C₁₀是環型（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型碳。C₁₄則被預測是從累積烯烴型C₁₀到聚炔型C₁₈的Peierls相變過渡态。因此，研究C₁₀和C₁₄的結構和穩定性具有極其重要的意義。隻有将這2種全新的碳材料家族成員精準合成出來，方能精細表征它們的結構。

在本研究中，團隊采用了不同于C₁₈的将環狀碳氧化合物作為前驅體的合成路線，而是創新性地設計了全鹵化萘（C₁₀Cl₈）和蒽（C₁₄Cl₁₀）兩種前驅體分子。将這兩種分子放在“手術台上”（氯化鈉薄膜）并将其“麻醉”（液氦4.7 K凍住），而後利用STM針尖作為“手術刀”對其進行“手術”（原子操縱），進而誘導兩種分子完全脫鹵并伴随發生反伯格曼開環（retro-Bergman ring-opening）反應，最終成功地在表面上合成了兩種芳香性環型碳C₁₀和C₁₄。化學鍵分辨的原子力顯微鏡表明，不同于此前C₁₈的聚炔型結構，C₁₀和C₁₄均具有累積烯烴型的結構。團隊進一步通過理論計算發現，這2位碳材料家族的新成員并非擁有完全一緻的特性，C₁₀完全沒有鍵長交替，而C₁₄作為從累積烯烴型C₁₀到聚炔型C₁₈的過渡态，存在一個非常小的鍵長交替（0.05 Å），尚未達到單鍵和三鍵的形式，從實驗上也無法分辨出來。

許維教授表示，這項研究工作極大推動了環型碳領域的發展，提出的表面合成策略有望成為一種合成系列環型碳的普适性方法。同時，合成的環型碳有望發展成為新型半導體材料，并在分子電子器件中有着廣闊的應用前景。

伟德网站是多少為論文的唯一完成單位，許維教授為論文的唯一通訊作者，團隊成員孫魯晔博士和鄭威特聘研究員為共同第一作者。該工作得到了國家自然科學基金傑出青年科學基金項目的資助。

論文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06741-x