碳是一种常见的非金属元素。碳材料在自然界中有多种形式，其具体外在表现形式取决于每个碳原子周围与之成键的原子数目。当每个碳原子和周围4个原子成键时，就形成了自然界中天然存在的坚硬透明物质——钻石；当它和周围3个原子成键时，则形成了质软黑色的石墨。

当每个碳原子只和周围两个原子成键时，会形成环形纯碳分子（环型碳）。由于这种类型的碳结构具有很高的反应活性、极不稳定，在自然界中并非天然存在，而人工合成又极具挑战性。

此外，在环型碳中，每个碳原子和周围两个原子的成键方式是键长均等的累积烯烃型（连续的双键）还是不等的聚炔型（单键和三键交替），一直存在争议。很多团队尝试合成环型碳但并未成功，一些气相实验虽然显示存在环型碳的迹象，但难以分离提纯并进一步表征它们的结构。

直到2019年，IBM与英国牛津大学的研究团队合作，制备出单个的环型碳C18，首次从实验上验证了C18为单键和三键交替的聚炔型结构。然而，环型碳是一个大家族，合成更小尺寸的环型碳，更具挑战性。

许维团队创新性地设计了全卤化萘和蒽两种前驱体分子，并将这两种分子放在作为手术台的氯化钠薄膜上，用液氦对其进行“麻醉”，而后对其进行原子操纵的“手术”，进而诱导两种分子完全脱卤并伴随发生反伯格曼开环反应，最终成功地在表面上合成两种芳香性环型碳C10和C14。化学键分辨的原子力显微镜分析表明，不同于此前C18的聚炔型结构，C10和C14均具有累积烯烃型的结构。

团队进一步通过理论计算发现，这两个碳材料家族新成员并非拥有完全一致的特性，C10完全没有键长交替，而C14作为从累积烯烃型C10到聚炔型C18的过渡态，存在一个非常小的键长交替，但尚未达到单键和三键的形式，并且从实验上也无法分辨出来。

“这项研究极大推动了环型碳领域的发展，提出的表面合成策略有望成为一种合成系列环型碳的普适性方法。”许维说。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06741-x