Nature Materials：一维微米级超长碳链——so long！so hard！

材料牛注：研究人员成功合成出微米级超长碳链，为最终真正制备出一维超长碳链迈出了关键的一步。

碳在自然界中以多种形式存在，包括金刚石、富勒烯和石墨烯等多种物质，而这些物质因具有独特的分子结构、电性能、机械性能、传输性能以及光学性能，而被广泛应用于包括复合材料、纳米发光器件和储能材料在内的物理、化学和材料领域。

虽然碳呈现单原子形式，但由于碳键的多样性会形成了许多我们非常常见的材料，包括金刚石以及石墨等材料。单层的石墨就是石墨烯，我们可以将其卷制成碳纳米管或者富勒烯。迄今为止，研究石墨烯（2010）以及富勒烯（1996）的基础工作者均已经获得诺贝尔奖。直链乙炔碳是由1905年的诺贝尔获得者Adolf von Baeyer在1885年提出的，用以表彰他对有机化学的贡献。

在碳这个大家族里面，carbyne是拥有真正的一维结构的碳材料。尽管人们研究carbyne已经超过了50年，但至今仍未将其合成出来。它在环境中的极度不稳定性使得人们想要用实验来证明它的存在是非常困难的。Von Baeyer甚至认为carbyne会因为其高反应性被立即损坏而无法合成。

曾经，最长的碳链长度为100的碳原子。但如今，该记录已被打破，并超过了50倍。

最新研究表明，来自维也纳大学的Thomas Pichler研究团队已经开发出了一种批量生产超过6400个碳原子的长链聚合物的新方法，该方法使用了薄双壁碳纳米管来保护碳碳主链。该研究成果将引导实现了carbyne的批量生产。除了潜在的应用，该成果还有望解答关于电子关联、电子－声子的相互作用以及量子相变在一维材料中转换的基本问题。

该研究团队使用双壁纳米管内部的密闭空间作为纳米反应器来批量生产超长碳链。通过一系列复杂而又互补的方法证实了碳链的存在。这些方法包括对温度依赖的近远场拉曼光谱（探索电子和振动特性）；高分辨率的透射电子能谱法（用于直接观察碳纳米管内的carbyne）和X-射线散射（用于观察碳链的生长）。论文的第一作者 Lei Shi解释道： “该超长线性碳链的合成为最终真正制备出一维超长碳链迈出了关键的一步。”

Carbyne在双壁纳米管内非常稳定，它的优异性能使其在未来材料和器件领域得以应用的保障。根据理论模型我们可知，carbyne的机械性能已经超过了包括石墨烯和金刚石在内的所有已知材料。（例如，它的硬度是金刚石的40倍，是石墨烯的两倍并比其它碳材料有着更高的抗拉伸强度。）

将新型纳米粒子应用在量子自旋运输和磁性半导体中后，carbyne的电性能除了与它正常的物理和化学吸引力有关以外，还依赖于一维碳链的长度。该项工作提供了一个将实验和理论相结合，从而控制低维碳链的电子性能以及机械性能的成功案例，并可用来合成carbyne以及对目前最长的线性碳链进行表征。该成果为以往未能在密闭的几何空间中研究电子关联以及量子动力学相变提供了基本的测试平台。“此外，carbyne的机械性能以及电性能非常卓越，因此也为设计出具备纳米电子和光学机械性能的装置提供了更多可能。” Angel Rubio说道。

该研究成果已经发表在Nature Materials

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

本文有编辑部王宇提供素材，席路编译。