Nature Materials：一維微米級超長碳鏈——so long！so hard！

材料牛注：研究人員成功合成出微米級超長碳鏈，為最終真正制備出一維超長碳鏈邁出了關鍵的一步。

碳在自然界中以多種形式存在，包括金剛石、富勒烯和石墨烯等多種物質，而這些物質因具有獨特的分子結構、電性能、機械性能、傳輸性能以及光學性能，而被廣泛應用于包括復合材料、納米發光器件和儲能材料在內的物理、化學和材料領域。

雖然碳呈現單原子形式，但由于碳鍵的多樣性會形成了許多我們非常常見的材料，包括金剛石以及石墨等材料。單層的石墨就是石墨烯，我們可以將其卷制成碳納米管或者富勒烯。迄今為止，研究石墨烯（2010）以及富勒烯（1996）的基礎工作者均已經獲得諾貝爾獎。直鏈乙炔碳是由1905年的諾貝爾獲得者Adolf von Baeyer在1885年提出的，用以表彰他對有機化學的貢獻。

在碳這個大家族里面，carbyne是擁有真正的一維結構的碳材料。盡管人們研究carbyne已經超過了50年，但至今仍未將其合成出來。它在環境中的極度不穩定性使得人們想要用實驗來證明它的存在是非常困難的。Von Baeyer甚至認為carbyne會因為其高反應性被立即損壞而無法合成。

曾經，最長的碳鏈長度為100的碳原子。但如今，該記錄已被打破，并超過了50倍。

最新研究表明，來自維也納大學的Thomas Pichler研究團隊已經開發出了一種批量生產超過6400個碳原子的長鏈聚合物的新方法，該方法使用了薄雙壁碳納米管來保護碳碳主鏈。該研究成果將引導實現了carbyne的批量生產。除了潛在的應用，該成果還有望解答關于電子關聯、電子－聲子的相互作用以及量子相變在一維材料中轉換的基本問題。

該研究團隊使用雙壁納米管內部的密閉空間作為納米反應器來批量生產超長碳鏈。通過一系列復雜而又互補的方法證實了碳鏈的存在。這些方法包括對溫度依賴的近遠場拉曼光譜（探索電子和振動特性）；高分辨率的透射電子能譜法（用于直接觀察碳納米管內的carbyne）和X-射線散射（用于觀察碳鏈的生長）。論文的第一作者 Lei Shi解釋道：?“該超長線性碳鏈的合成為最終真正制備出一維超長碳鏈邁出了關鍵的一步。”

Carbyne在雙壁納米管內非常穩定，它的優異性能使其在未來材料和器件領域得以應用的保障。根據理論模型我們可知，carbyne的機械性能已經超過了包括石墨烯和金剛石在內的所有已知材料。（例如，它的硬度是金剛石的40倍，是石墨烯的兩倍并比其它碳材料有著更高的抗拉伸強度。）

將新型納米粒子應用在量子自旋運輸和磁性半導體中后，carbyne的電性能除了與它正常的物理和化學吸引力有關以外，還依賴于一維碳鏈的長度。該項工作提供了一個將實驗和理論相結合，從而控制低維碳鏈的電子性能以及機械性能的成功案例，并可用來合成carbyne以及對目前最長的線性碳鏈進行表征。該成果為以往未能在密閉的幾何空間中研究電子關聯以及量子動力學相變提供了基本的測試平臺。“此外，carbyne的機械性能以及電性能非常卓越，因此也為設計出具備納米電子和光學機械性能的裝置提供了更多可能。” Angel Rubio說道。

該研究成果已經發表在Nature Materials

原文鏈接：Researchers present a direct first proof of stable, ultra-long 1D carbon chains

本文有編輯部王宇提供素材，席路編譯。