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来源：高分子科学前沿
2019年8月15日，自然科学领域顶级刊物《Science》在线发布了英国牛津大学的Harry L. Anderson院士团队和瑞士苏黎世IBM公司的Leo Gross团队关于制备新型sp杂化的C18碳环的最新进展。研究者首先通过复杂的有机合成步骤首次获得C18碳环氧化物，再结合扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM），一边通过调节微电流和微电压刺激羰基的电离并诱导新型碳环结构的生成，一边通过显微镜成像获取精确的结构信息。（报道链接：《Science》：全球首例！单叁键交替C18碳环横空出世！《Nature》强推）
该研究工作自问世以来受到了广泛的关注，众多研究工作者在遐想新型碳环广阔应用前景的同时，对碳环的制备合成技术充满好奇。近日，德国埃尔朗根-纽伦堡大学的Sabine Maier教授在《Science》发表了名为“An atomic-scale view of cyclocarbon synthesis”的评述，站在原子尺度论述碳环的合成技术。
该报道首先指出，在一维、二维和三维空间中碳原子的多种组装形式使得纯碳材料的制备成为可能。从1985年碳的同素异形体富勒烯的合成开始，化学家们建立了一个丰富的碳材料库，这些材料（包括富勒烯、碳纳米管和石墨烯，如图1所示）由于其拓扑结构的不同，显示出了不同寻常的电学和光学特性。除此之外，由于环状碳材料的合成较为困难，对于其结构与性质研究较少，限制了相关领域的进展。
图1. 现有的主要碳材料（富勒烯，碳纳米管，石墨烯）.
科学家对于碳环合成的尝试始于上世纪80年代，但最初只能在气相中合成碳环，难以分离提纯并进一步表征其结构。同时对于这些碳环中碳原子的成键方式存在争议，即为交替的单叁键还是连续的双键。
Kaiser等人以环状碳氧化物C24O6作为前驱体，并将其附着于铜基底的氯化钠薄膜上，通过在显微镜针尖和表面之间施加电压脉冲，使前驱体逐步脱羰，最终得到了C18的结构，如图2所示。通过测试C18碳环中的化学键序，作者确定了该碳环中碳原子的成键方式为单叁键交替。
图2. C18合成过程跟踪及结构模型建立.
在过去的十年里，科学家们在制备新型碳纳米材料时，已逐渐从复杂的溶液和气相合成向表界面合成转换。而表界面合成则是利用固体表面作为二维模板和催化剂，通过热、光或电子的作用诱发前驱体发生化学反应，整个过程步骤简单，反应精确灵敏。迄今为止，科学家们大多使用金属表面作为基底，来构建具有精确几何结构的低维碳材料。而Kaiser等人在使用金属基底的同时利用绝缘膜层来稳定前驱体，以便作者可以循序渐进地跟踪反应，如图2所示。此外，作者进一步证明，由于碳环具有的高反应活性，利用原子尺度的操纵技术，通过环三聚反应，以及更进一步的聚合反应，C18有望用于合成制备高性能石墨炔材料（Graphdiyne），如图3所示，而石墨炔正是被产业界看好的下一代电池，储氢及催化剂材料。
图3. C18材料的未来发展方向.
显然，Kaiser等人的研究工作揭示了原子尺度表界面合成的无限潜力，并首次确定了C18的结构，引领人类探索一个全新未知的环状碳材料新世界。
来源：Polymer-science 高分子科学前沿
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