环碳分子“披上盔甲”状态稳定！有望成为新型电子器件候选材料

在化学的世界里，有些分子神秘而难以捉摸，环碳分子便是其中的典型代表——这些仅由碳原子组成的完美圆环，在理论计算中展现出奇异的性质，却因为极度的不稳定性而难以在常温下被人们直接观察和研究。

直到最近，英国牛津大学的科学家们成功合成了环[48]碳（C48）分子，并让它在室温下稳定存在了足足两天时间。在富勒烯（C60）于35年前被合成之后，这是第二种可在常温下对其开展研究的全碳分子。这一成果的取得，为新型电子器件与量子技术提供了极具潜力的高效材料。相关研究已于8月14日发表在《科学》杂志上。

《科学》杂志网页截图及编辑对论文的点评

（图片来源：《科学》官网）

碳原子的完美圆舞曲

要理解环碳分子的重要性，我们首先需要认识碳元素的独特之处。碳原子就像是大自然最多才多艺的建筑师，它可以与其他碳原子形成各种各样的连接方式，创造出截然不同的材料。钻石中的碳原子以四面体结构紧密排列，造就了世界上最坚硬的天然材料；石墨中的碳原子则以六边形网格平铺成层，赋予了它良好的导电性和润滑性。

环碳是一类由碳原子构成环状结构的分子，例如富勒烯和纳米管，它们常常展现出独特的化学性质，并能以非常规的方式导电。与石墨相比，环碳分子代表了碳原子排列的另一种极致形式——所有碳原子手拉手围成一个完美的圆环，每个碳原子都采用sp1杂化方式，形成直线型的键合结构。这种排列方式在理论上应该具有独特的电子性质，就像一条首尾相接的分子链条，电荷可以在其中无限循环传递。然而，正是这种看似完美的结构，却蕴含着巨大的不稳定性。

环碳分子的不稳定性源于其内在的应变能。想象一下，试图将一根直尺弯曲成圆形的情形——尺子会产生强烈的反弹力，试图恢复到直线状态。环碳分子面临着类似的困境：sp1碳原子“喜欢”保持直线排列，但被强制弯曲成环形结构时，分子内部积累了巨大的应变能。这种应变使得环碳分子极易发生反应，转化为更稳定的sp2或sp3碳结构，甚至在某些情况下会发生爆炸性分解。

从理论预言到实验验证的漫长征程

环碳分子的概念并非全新的想法。早在1950年代，化学家们就开始思考这种特殊的碳结构。随着计算化学的发展，科学家们通过理论计算预测了各种尺寸环碳分子的性质，发现它们应该具有独特的光学、电学和磁学特性。然而，从理论预测到实验验证之间横亘着一道看似不可逾越的鸿沟。

过去的几十年中，科学家们尝试了无数种方法来合成环碳分子，但在富勒烯之后该领域一直未能有突破性进展。有些研究者试图通过高能激光轰击石墨来产生环碳碎片，有些则尝试用化学反应来构建环状结构。虽然在气相条件下和极低温的表面上观察到了一些小尺寸的环碳分子，但它们的寿命都极其短暂，根本无法进行详细的研究。

拥有60个碳原子的巴克明斯特·富勒烯C60

（图片来源：维基百科）

真正的转机出现在2019年，当时科学家们首次在金属表面上通过原子操作技术成功制备了多种环碳分子，并在4-10K（约-269摄氏度至-263摄氏度）的极低温下用扫描隧道显微镜对其进行了表征。这些研究虽然证实了环碳分子的潜在制备方式，但极端的实验条件限制了对其性质的深入探索。要想真正理解和应用环碳分子，科学家们需要找到在常温常压下稳定它们的方法。

索烃结构：为环碳分子穿上“保护衣”

牛津大学的Harry Anderson教授和他的团队采用了一种巧妙的策略来解决环碳分子的稳定性问题。他们没有试图改变环碳分子本身的结构，而是为它穿上了一件特殊的“保护衣”——索烃结构。

索烃是一类独特的超分子结构，其中一个大环分子穿过另一个或多个环状分子，就像奥运会的五环标志一样相互套接。Anderson团队设计的保护体系包含三个较小的大环分子，C48分子就像一根绳子一样穿过这三个环。这种设计的巧妙之处在于，三个保护环就像缓冲垫一样，阻止环碳分子与其他分子发生碰撞和反应，同时也防止多个环碳分子聚集在一起形成交联的聚合物。

制备这种环碳索烃的过程本身就是一项技术壮举。研究团队首先合成了一个被钴羰基膦基团保护的C48前体分子，这些保护基团就像临时的“帽子”，在合成过程中保护不稳定的碳链结构。然后，他们使用氧化性的间氯过氧苯甲酸在0摄氏度的低温下小心地移除这些保护基团，整个反应过程只持续3分钟，以最大限度地减少副反应的发生。

(A)C48·M3的合成；(B)其计算所得几何结构的投影图及分子示意图

（图片来源：参考文献[1]）

常温下的奇迹：环碳分子C48的首次表征

当保护基团被成功移除后，橙红色的C48索烃溶液终于诞生了。这一刻标志着化学史上的重要里程碑——在富勒烯诞生35年之后，第二种可以在室温下稳定存在的环碳分子终于问世。

质谱分析提供了环碳分子成功合成的第一个确凿证据。在质谱图中，研究人员清晰地观察到了对应于[C48·M3+3H]3+、[C48·M3+2H]2+等离子的特征峰，这些峰的质荷比和同位素分布模式与理论预期完美吻合。这就像是分子的“身份证”，无可争辩地证明了C48索烃的存在。

核磁共振波谱分析揭示了更多精彩的细节。在13C核磁共振谱中，所有48个sp1碳原子在72.9ppm处显示为单一的共振峰。这个简单而优美的谱图特征表明，三个保护环在环碳分子周围快速移动，使得所有碳原子在核磁共振时间尺度上都处于相同的化学环境。这种动态行为就像分子水平上的“呼啦圈”，保护环不断地围绕着环碳分子旋转。

稳定性的突破与未来的展望

最令人惊喜的发现是C48索烃在室温下展现出的相对稳定性。在二氯甲烷溶液中，这种分子的半衰期达到了92小时，这已经足够进行各种光谱学表征和性质研究。相比之下，没有保护的裸露C48分子的半衰期仅约1小时，在高浓度下甚至会在几分钟内完全分解。

这种稳定性的提升虽然看起来微不足道，但实际上代表了质的飞跃。92小时的稳定时间意味着研究人员有足够的时间来深入研究环碳分子的各种性质，包括其电学特性、光学行为和化学反应性。这就像是为科学家们打开了一扇通往环碳分子世界的大门。

从应用前景来看，环碳分子的独特结构使其具有巨大的技术潜力。理论计算表明，环碳分子中的电荷可以像在无限循环的跑道上一样自由传递，这种特性可能在下一代电子器件中发挥重要作用。例如，环碳分子可能被用作分子级的导线、晶体管的活性材料、太阳能电池的光吸收层，或者量子计算设备中的量子比特载体。

然而，从实验室中的概念验证到实际应用还有很长的路要走。目前的合成方法虽然成功，但产率较低，成本较高，难以实现大规模生产。此外，环碳分子在固态下仍然不稳定，这限制了其在某些应用中的使用。

化学创新的启示与未来之路

C48索烃的成功合成不仅仅是一项技术突破，更是化学创新思维的完美体现。Anderson团队没有被传统的“环碳分子难于稳定存在”的观念所束缚，而是巧妙地运用超分子化学的策略，为这个“不可能”的分子找到了生存之道。这种创新思维为我们提供了宝贵的启示：在科学研究中，看似不可逾越的障碍往往可以通过创造性的方法来克服。

这项工作也预示着环碳化学即将迎来蓬勃发展的新时代。正如德国乌尔姆大学的Max von Delius教授所言，“一场竞赛可能要开始了”。现在科学家们已经证明了稳定环碳分子的可能性，接下来的挑战将是设计更高效的保护策略，合成不同尺寸的环碳分子，并最终实现从环形结构到线性碳链的转化。

未来的研究方向可能包括开发新型的超分子保护体系，这些体系能够提供更强的保护效果，使环碳分子在更广泛的条件下保持稳定。科学家们也可能探索不同尺寸环碳分子的合成，因为理论预测表明，不同大小的环碳分子具有不同的电子性质和应用潜力。

更为激动人心的是，这项研究为实现“分子级碳材料工程”奠定了基础。在不远的将来，我们或许能够像搭建乐高积木一样，用环碳分子作为基本构件来构建各种功能性的纳米材料和分子器件。这种自下而上的材料设计方法可能会彻底改变我们对材料科学和纳米技术的认知。

从富勒烯C60的发现到环碳分子C48的登场，这35年的科学征程见证了人类对碳材料认识的不断深化。每一次突破都不仅仅是技术上的进步，更是人类智慧和创造力的体现。C48索烃的成功合成标志着我们又一次突破了自然界的限制，让原本只存在于理论计算中的分子走进了现实世界。这不仅是化学史上的重要时刻，更是人类探索物质世界奥秘的又一次胜利。

参考文献：

[1]Gao, Yueze, et al. “Solution-phase stabilization of a cyclocarbon by catenane formation.” Science 389.6761 (2025): 708-710.

出品：科普中国

作者：郭菲（烟台大学）

监制：中国科普博览