碳原子因?yàn)槠洫?dú)特的四電子結(jié)構(gòu)，擁有多種同素異形體，如金剛石、石墨烯、碳納米管、富勒烯等。這些碳的同素異形體的導(dǎo)電性能從導(dǎo)體、半導(dǎo)體、半金屬，一直延伸到絕緣體；其尺度則從三維、二維到一維。由碳碳一三鍵構(gòu)成的sp雜化碳鏈，是至今仍未被深入研究的一維碳的同素異形體。理論上預(yù)測(cè)一維碳鏈具有比石墨烯和碳納米管更好的力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)性能，因此具有重要的研究意義和研究?jī)r(jià)值。然而由于一維碳鏈的結(jié)構(gòu)極不穩(wěn)定，難以存在于常溫常壓下，且相互之間容易產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng)，因此對(duì)碳鏈的研究進(jìn)展緩慢、難以開(kāi)展。

為了解決一維碳鏈的穩(wěn)定性問(wèn)題，我校材料科學(xué)與工程學(xué)院石磊副教授和Thomas Pichler教授等人合作發(fā)展了一種高溫高真空熱處理法，利用碳納米管為模板制備得到了世界上最長(zhǎng)的一維碳鏈，且在常溫常壓下具有優(yōu)異的穩(wěn)定性（Shi L., et al. Nature Materials, 15, 634–639, 2016）。此后，通過(guò)超聲和梯度密度離心我們還實(shí)現(xiàn)了抽出和分離雙壁碳納米管中的碳鏈和內(nèi)層碳納米管，發(fā)現(xiàn)碳鏈的性能和內(nèi)層碳納米管密切相關(guān)，而與外層碳納米管無(wú)關(guān)（Shi L., et al. ACS Nano, 12, 8477–8484, 2018）。隨后與瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的合作研究表明單根碳鏈的性能確實(shí)可以通過(guò)碳納米管和碳鏈之間的相互作用來(lái)調(diào)控（Heeg S., et al. Nano Letters, 18, 5426–5431, 2018）。然而從制備的角度上來(lái)看，控制合成雙壁碳納米管的直徑十分困難，因此石磊副教授開(kāi)發(fā)了一種高溫高真空熱處理法，可以將不同直徑的單壁碳納米管轉(zhuǎn)化為雙壁碳納米管，從而實(shí)現(xiàn)了雙壁碳納米管直徑的控制（Shi L., et al. Nanoscale 10, 21254–21261, 2018）。

利用相互作用制備性能可控一維碳鏈

近期，利用單壁碳納米管轉(zhuǎn)化成的不同直徑的雙壁碳納米管為模板，合成了性能可控的一維碳鏈。如圖所示，通過(guò)左邊的電鏡圖可以直接觀(guān)察到一維碳鏈在雙壁碳納米管中時(shí)，碳納米管的直徑變窄，說(shuō)明兩者之間存在較強(qiáng)的相互作用。通過(guò)碳納米管的直徑可以控制此相互作用的大小，從而最終實(shí)現(xiàn)了一維碳鏈的性能調(diào)控，其帶隙可在1.8到2.3電子伏特之間調(diào)節(jié)（如圖中右測(cè)的拉曼光譜所示，體現(xiàn)為峰位隨著碳納米管直徑的減小而產(chǎn)生紅移）。

圖1. 碳納米管和碳鏈之間的相互作用可用于調(diào)控碳鏈的性能

相關(guān)的研究成果以“Towards Confined Carbyne with Tailored Properties”為題發(fā)表在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊Nano Letters 上(Shi L., et al. Nano Lett. 21, 1096–1101, 2021)。石磊副教授為論文第一作者和共同通訊作者，中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院為論文第一單位，Thomas Pichler教授（實(shí)驗(yàn)支持）、Alejandro Perez Paz教授（理論支持）、Angel Rubio教授（理論支持）為共同通訊作者。

論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c04482

首次合成同位素標(biāo)記一維碳鏈

近期，研究團(tuán)隊(duì)關(guān)于合成同位素標(biāo)記的一維碳鏈的論文也被Angew. Chem. Int. Ed.接收發(fā)表，這是世界首次合成同位素標(biāo)記的一維碳鏈樣品。同位素可用于追蹤物質(zhì)的運(yùn)行和變化規(guī)律。同位素標(biāo)記的材料往往可以保持相同的化學(xué)性質(zhì)，但是其物理性質(zhì)會(huì)發(fā)生改變。后續(xù)將繼續(xù)針對(duì)樣品進(jìn)行光學(xué)和熱學(xué)方面的深入研究，探究其物理性能的變化。

圖2. 同位素標(biāo)記碳鏈的合成示意圖及拉曼光譜

論文由第一作者崔瑋麗同學(xué)實(shí)驗(yàn)完成材料的合成和拉曼光譜表征，烏爾姆大學(xué)的曹克誠(chéng)教授（現(xiàn)上?？萍即髮W(xué)）和Ute Kaiser教授進(jìn)行的電鏡表征工作，日本產(chǎn)業(yè)綜合研究所的Takeshi Saito研究員提供的單壁碳納米管樣品，維也納大學(xué)的Paola Ayala教授對(duì)寫(xiě)作和數(shù)據(jù)分析有貢獻(xiàn)，石磊副教授和Thomas Pichler教授為共同通訊作者。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202017356

氣壓調(diào)節(jié)一維碳鏈的生長(zhǎng)

課題組受邀在Journal of Applied Physics的專(zhuān)刊Special Topic on Physics and Applications of Nanotubes撰寫(xiě)研究論文，報(bào)道了通過(guò)氣壓來(lái)調(diào)節(jié)一維碳鏈的生長(zhǎng)。專(zhuān)輯客座編輯為Shigeo Maruyama教授，Michael Arnold教授和Ralph Krupke教授以及雜志的副主編Masayoshi Tonouchi教授和彭練矛院士。碩士研究生李璇為第一作者，張一帆、吳楊柳為共同作者，石磊副教授為通訊作者。

論文鏈接：https://doi.org/10.1063/5.0035854

以上研究工作受到國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)等的支持。