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        分子“手術”為碳材料家族“添丁”
        文章來源:中國科學報     更新時間:2023-12-05 15:28:56
        報訊(記者張雙虎)同濟大學教授許維團隊,通過對兩種分子實施“麻醉”和“手術”,首次精準合成兩種全新的碳分子材料——芳香性環型碳C10和C14,并精細表征了它們的化學結構。這兩種合成的新穎碳結構有望應用于未來的分子電子學器件中。相關研究11月30日在線發表于《自然》。

        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4個原子成鍵時,就形成了自然界中天然存在的堅硬透明物質——鉆石;當它和周圍3個原子成鍵時,則形成了質軟黑色的石墨。

        當每個碳原子只和周圍兩個原子成鍵時,會形成環形純碳分子(環型碳)。由于這種類型的碳結構具有很高的反應活性、極不穩定,在自然界中并非天然存在,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是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),一直存在爭議。很多團隊嘗試合成環型碳但并未成功,一些氣相實驗雖然顯示存在環型碳的跡象,但難以分離提純并進一步表征它們的結構。

        直到2019年,IBM與英國牛津大學的研究團隊合作,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,合成更小尺寸的環型碳,更具挑戰性。

        許維團隊創新性地設計了全鹵化萘和蒽兩種前驅體分子,并將這兩種分子放在作為手術臺的氯化鈉薄膜上,用液氦對其進行“麻醉”,而后對其進行原子操縱的“手術”,進而誘導兩種分子完全脫鹵并伴隨發生反伯格曼開環反應,最終成功地在表面上合成兩種芳香性環型碳C10和C14?;瘜W鍵分辨的原子力顯微鏡分析表明,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,這兩個碳材料家族新成員并非擁有完全一致的特性,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的過渡態,存在一個非常小的鍵長交替,但尚未達到單鍵和三鍵的形式,并且從實驗上也無法分辨出來。

        “這項研究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適性方法。”許維說。

        相關論文信息:

        https://doi.org/10.1038/s41586-023-06741-x

        《中國科學報》 (2023-12-01 第1版 要聞)
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