碳家族迎来环形碳新成员它们有望成为半导体材料

2023-12-06 15:37:49来源：化工仪器网关键词：半导体阅读量：963

导读：近日，同济大学材料科学与工程学院科研团队成功合成了分别由10个或14个碳原子组成的环形纯碳分子材料，为碳家族新添两名未来可期的成员。

　　碳是一种很常见的非金属元素，它以多种形式广泛存在于大气和地壳和生物之中，是构成生物的基本元素之一。与此同时碳还是一种非常“多变”的元素，即便没有其他元素参与，它的家族中依旧存在许多特殊的“成员”。他们之中，有的坚固无比，被包装成爱情的象征，有的又薄如蝉翼，构建起美妙的数字世界；还有的柔软细腻，在纸上挥洒着文采……而直至今日，碳的家族仍旧在不断扩张。

　　近日，同济大学材料科学与工程学院科研团队成功合成了分别由10个或14个碳原子组成的环形纯碳分子材料，为碳家族新添两名未来可期的成员。而相关的成果也已经以论文的形式发表于国际学术期刊《自然》，感兴趣的读者可以去搜索学习，论文题目为《表面合成芳香性环型碳C10和C14》。

　　什么是环形碳？

　　碳构成的物质(同素异形体)其特殊特性是其结构决定的，例如钻石的坚固源于每个碳原子和周围四个原子成键，石墨则是每个碳原子与周围三个源自成键——简单的说，细微的结构差距都可以让碳物质的特性天差地别。而环形碳的结构简单的说就是每个碳原子只和周围两个原子成键，这种类型的机构具备很高的反应活性，因此很不稳定，自然界也很难存在——这也是为什么人工合成环形碳困难的原因，甚至因此环型碳中每个碳原子和周围两个原子的成键方式一直还存在争议，实验学家和理论学家也争先恐后的尝试解决环形碳的稳定系问题。

　　而目前人们熟知的C18环碳，其实诞生于2019年，当时IBM实验室与牛津大学研究团队合作，也能够实验验证了C18为单键和三键交替的聚炔型结构，但与此同时也证明了想要合成更小的环形碳十分困难。也就在差不多时间，有理论预测C10是环型(n ≥ 10)和线型(n < 10)的分界点，同时也是最大的芳香性累积烯烃型环型碳。这也是为什么同济大学此次的成果能够引发学界的热烈讨论。

　　用“手术”的方式合成“碳”

　　据悉，这次C10和C14的合成方式采用了全新的思路，团队先设计了全卤化萘(C10Cl8)和蒽(C14Cl10)两种前驱体分子，之后利用液氦4.7K将它们冻住，并利用STM针尖进行原子操纵，诱导两种分子完全脱卤并伴随发生反伯格曼开环反应。此外，在合成的C10和C14上，团队还发现，新的碳异形体均具有累积烯烃型的结构，其中C10完全没有键长交替，而C14存在一个非常小的键长交替。

　　而从结果上来说，这项研究用实验的方式合成并表征了C10及C14的结构，为相关环碳研究提供了重要依据。并且在推动环型碳领域的发展的同时，也为电子器件的发展提供了新的理论基础——合成环形碳被认为是一种具备潜力的半导体材料。

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