科学家成功合成并可视化环[18]碳
首次，研究人员稳定并直接成像了由18个碳原子组成的环，确认了难以捉摸的环[18]碳结构。
碳是宇宙中最丰富元素之一，以多种同素异形体存在，展现截然不同性质——从四面体键合的金刚石硬度，到三配位的石墨、石墨烯、碳纳米管、富勒烯平面片层。
其中，环碳——每个碳原子仅与两个邻居键合的碳原子环——长期停留在理论层面。多年科学家争论环键是否全为同一长度（双键）或在短长交替（单-三键交替）。虽有气相证据，但这些分子高反应性阻碍分离与详细表征——直到现在。
原子操控实现环碳创造
基于原子力显微镜（AFM）成像分子和原子操控合成分子的先前成功，牛津大学与IBM Research团队着手创造、稳定、表征环碳。
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图1：左至右为前体分子C24O6、中间体C22O4和C20O2及最终产物环[18]碳C18，通过原子操控在表面解离CO屏蔽基团生成。底行为CO功能化探针在Cu单晶双层NaCl上获得的AFM数据。
今日发表于Science，我们的方法涉及在5 K惰性表面上通过原子操控生成环碳，并用高分辨AFM表征。合作始于三年前，共同目标解锁这一久寻结构。初期聚焦双折叠配位碳线性片段，探索通过原子操控触发反应（施加电压脉冲于AFM探针）生成富碳材料。发现此类片段可在涂覆化学惰性双层NaCl的铜基板上形成（Nat. Chem. 10, 853-858, 2018），防止与表面形成不需要的共价键。
此后牛津团队合成环[18]碳前体——C24O6，含18碳原子加六个CO基团稳定结构的三角分子。C24O6到C18转化最早由François Diederich和Yves Rubin 30年前探索（J. Am. Chem. Soc. 1989, 111, 6870）。现代AFM技术让我们以原子级细节见证产物。
用AFM定位NaCl双层上制备的C24O6前体。对AFM探针施加电压脉冲，系统性移除CO基团，观察到移除两个和四个CO基团的中间体，最终脱离所有六个CO形成环[18]碳。
在冷惰性表面上，分子稳定到足以详细研究。AFM图像显示圆周排列的九个亮叶，探针靠近时解析为九边形角点——与三键位置一致。模拟确认环[18]碳采取炔式结构，单三键交替，解决长期争论。
这些发现暗示激动人心的未来可能。通过原子操控融合环碳或环碳氧化物，可创建更大定制富碳分子——潜在新同素异形体——并为基于单电子转移的分子电子学铺平道路。
An sp-hybridized molecular carbon allotrope, cyclo[18]carbon, Katharina Kaiser, Fabian Schulz, and Leo Gross (IBM Research – Zurich); Lorel M. Scriven, Przemyslaw Gawel, and Harry L. Anderson (Oxford University), Science Aug 15, 2019, doi/10.1126/science.aay1914, https://arxiv.org/abs/1908.05904
纳米材料