從石器時代，到青銅器時代和鐵器時代，再到硅時代，科學技術，尤其是材料技術的發(fā)展始終推動著人類社會的不斷進步。當今世界，富勒烯，碳納米管，石墨烯等新型碳納米材料不斷涌現(xiàn)，為社會生活方方面面的變革帶來巨大的潛力，似乎昭示著碳時代的到來。
橫空出世：C18環(huán)狀分子（環(huán)碳）
Cyclocarbon
2019年9月20日，來自IBM和牛津大學的研究團隊在Science報道了一種單純由18個碳原子組成的環(huán)狀分子C18，碳環(huán)由交替的單鍵和三鍵構成，這為碳材料乃至整個科學史上帶來了新物種。
事實上，這種由純碳組成的環(huán)狀分子，早在多年前就引起包括諾貝爾化學獎得主在內(nèi)的眾多科學家的關注，但是都沒有成功，大都數(shù)化學家都已經(jīng)放棄了這個課題。
諾貝爾化學獎得主Roald Hoffmann稱贊說：“這項工作非常好（The work is beautiful）?！?/p>
日本大阪大學的化學家Yoshito Tobe說：“這是一項令人驚嘆的工作，開辟了一個新的研究領域。許多科學家，包括我自己，都試圖捕獲環(huán)狀的碳化合物并確定它們的分子結構，但是都徒勞無功?！?/p>
50年的謎團
目前已知的純碳的存在形式主要包括金剛石，富勒烯，碳納米管和石墨烯。取決于碳原子的不同構型所形成的化學鍵，碳表現(xiàn)出不同的形式。如果每個原子以金字塔形圖案與4個相鄰原子結合，就形成金剛石；如果與3個相鄰原子結合，就形成單層石墨烯。
那么，如果每個碳原子與2個相鄰原子結合成鍵，會怎樣呢？
諾獎得主Roald Hoffmann等人很早之前就推測，每個碳原子與2個相鄰原子結合成鍵，極有可能形成純碳原子鏈。每個原子可能在每一側(cè)形成雙鍵（意味著相鄰的原子共享兩個電子），或者一側(cè)是三鍵而另一側(cè)是單鍵。對于C18環(huán)到底是具有交替的三鍵和單鍵，還是完全由雙鍵構成，理論預測長期存在分歧，困擾了科學家長達50年之久，這一實驗結果正式宣告了分歧的結束。
基于這種推測，國際上多個團隊曾經(jīng)嘗試來合成純碳環(huán)或者鏈，但是由于這種類型的結構比石墨烯或金剛石更具有化學反應性，不太穩(wěn)定，特別是在彎曲時容易發(fā)生變化，因此幾乎所有的嘗試都以失敗告終。英國牛津大學的化學家Przemyslaw Gawel指出，合成穩(wěn)定的鏈和環(huán)通常需要包含除碳之外的元素。一些實驗表明在氣體云中可以產(chǎn)生全碳環(huán)，但他們無法找到確鑿的證據(jù)。
意外發(fā)現(xiàn)？
牛津大學的研究團隊使用標準的“濕”化學法，首先合成了包含四個碳原子的方形分子，其中氧原子附著在正方形上。然后，該團隊將樣品送到瑞士蘇黎世的IBM實驗室，研究人員將含氧的碳分子放在高真空室內(nèi)的氯化鈉層上，通過原子力顯微鏡（也可以作為掃描調(diào)諧顯微鏡）用電流操縱環(huán)以去除含氧部分。經(jīng)過多次反復試驗，最終通過顯微照片掃描確認可以合成純C18環(huán)狀結構。
來自牛津大學的共同第一作者Scriven表示：“我從沒想過我會看到這個。”
Gawel指出，這種單鍵和三鍵的交替鍵頗具特色，它們使得C18環(huán)具有半導體的特性。結果表明，長而直的碳鏈也可能是半導體，這為未來分子級晶體管的實現(xiàn)奠定了基礎。
未來可期
不過，這還是非?；A的研究，也存在許多問題懸而未決。一個方面是，目前一次只能制造一個分子，希望未來能進一步突破，實現(xiàn)這種分子的新的制備方法。第二個問題正如諾獎得主Roald Hoffmann所提出，這種C18環(huán)是否穩(wěn)定，也是未來需要進一步研究的問題。第三個問題則在于，這種材料是否具有獨特的性質(zhì)，是否將為碳材料帶來全新的機遇？
參考文獻：
【1】Katharina Kaiser et al. An sp-hybridizedmolecular carbon allotrope, cyclo[18]carbon. Science 2019.
【2】Davide Castelvecchi. Chemists makefirst-ever ring of pure carbon. Nature 2019.
