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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。化學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