Science！李阔团队首次合成微米级碳包裹单金属原子链

单金属原子链是金属原子线性排布形成的具有极限尺寸的一维结构，也是已知最细金属线。该结构不仅是探究Peierls不稳定性、Tomonaga-Luttinger液体等经典一维凝聚态理论的理想模型，更为纳米电子学、磁学、催化等前沿领域的探索与应用搭建了独特的物质研究平台。但裸露单原子链易发生结构重构，仅能依托基底、晶界或配体维持稳定。如何构筑兼具原子级精准结构、高热力学稳定性、超大尺寸且可宏量制备的单金属原子链，始终是该领域亟待突破的核心技术难题。

近日，北京高压科学研究中心李阔、郑海燕团队创新性地提出高压固相拓扑聚合新策略，首次合成了微米级、原子级有序、结构稳定的碳包裹铜单金属原子链，实现毫克级宏量制备，并完成了单链结构的剥离与表征。相关成果以“Ultra-Long Sheathed Single-Metal-Atom Chains Synthesized Under High Pressure”为题发表于国际顶级期刊《Science》。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeg0028。

碳鞘封装构筑稳定单原子链

研究团队选取具备柱状分子堆积特征的β-酞菁铜（β-CuPc）作为前驱体材料，该材料中心铜离子沿分子堆积方向呈周期性规整排列，外围为不饱和芳香环结构，为原子链成型提供了天然结构基础。在高压外力作用下，相邻β-CuPc分子持续靠拢，中心铜原子间距不断缩小；当分子间距降至临界反应距离后，外围芳香环发生聚合反应，生成的饱和碳骨架形成致密保护鞘，完整包裹内部铜原子链，成功将高压条件下形成的致密金属原子有序排列“锁定”至常压环境（图1）。

图1. 碳包裹单金属原子链的高压合成策略。高压压缩柱状堆积的金属环状配合物，同时诱导外围有机分子聚合，形成可在卸压后保护并固定金属原子链的碳鞘。

高压原位实验数据显示，β-CuPc在约0.9 GPa压力下发生结构相变，分子间滑移角减小，形成更适配拓扑聚合的堆积构型。分子间聚合反应始于21.5 GPa，在25.0 GPa、533 K的条件下保温12小时后，前驱体充分聚合，形成由饱和碳骨架包裹的单金属原子链结构。在高压原位单晶衍射实验中，研究人员发现通过单晶尺寸换算所得的晶胞参数与高压原位单晶衍射结果高度吻合，因此可根据晶体尺寸直观地对聚合过程进行检测（图2）。

图2. β-CuPc单晶的高压原位聚合过程。通过单晶尺寸换算所得的晶胞参数与高压原位单晶衍射结果具有高度一致性。

毫克级、大尺寸单金属原子链的制备

为突破金刚石对顶砧实验的微量样品限制，团队进一步采用 Paris-Edinburgh压机，在约 40 GPa 下制备出毫克级碳包裹铜单原子链单晶，所得晶体最大尺寸约为 940 × 250 × 50 μm3。单晶 X 射线衍射、选区电子衍射和透射电镜成像共同显示，所得原子链整体排列高度有序，链内原子周期性约为2.57 Å，对应相邻铜原子之间的距离。研究同时发现，聚合后链间仅存在微弱范德华相互作用，难以固定彼此相对位置，使晶体形成独特的链间错位结构，该特征也在衍射实验中以“层线”形式直观呈现。

团队创新采用酸辅助超声剥离策略，成功从晶格中分离出完整单链结构。在透射电镜下可观测剥离单链长度超过 1 μm，对应连续排列的铜原子超过 4000 个，较此前有机配体辅助合成的单金属原子链的长度提升两个数量级以上。碳包裹铜原子链即使在三氟乙酸环境中经历数小时超声处理和长时间浸泡，仍能保持结构完整，充分彰显了饱和碳鞘带来的优异化学与机械稳定性。低剂量 HAADF-STEM 直接观测到单链中间距约 2.54 Å 的铜-铜排列，与衍射结果和理论模型相吻合，进一步证实了产物的原子级有序结构。

图3.碳包裹铜单原子链的宏量合成与结构表征。Paris-Edinburgh压机制得的近毫米级单晶、STEM成像与电子衍射共同揭示纳米线的结构特征。通过酸辅助剥离获得的独立纳米线，并直接观察到链状排列的铜原子。比例尺：(A) 500 µm; (B) 20nm; (C-D) 5 nm-1; (E) 100nm; (F-H) 200nm; (I) 5nm。

碳包覆铜单原子链的电磁学特征

理论计算结果表明：即便压缩至 2.57 埃，相邻铜离子间并未形成显著铜-铜化学键，体系在纳米线内核构筑出独特的一维反铁磁链结构，该现象与铜离子自身电子结构难以成键的特性密切相关。这一结果同时证实，碳包裹原子链的形成过程并非由金属 - 金属键主导驱动，预示该高压合成策略具备良好普适性。纳米线轴向电荷输运主要依托次外层碳轨道实现；高度致密的压缩结构促使次外层碳原子沿轴线方向的 p 轨道相互重叠，构筑起连续一维电荷传输通道。

得益于产物可达毫克量级且具备大尺寸优势，研究团队进一步通过实验对铜原子链的电学、磁学特性开展验证。实验证实，紧密排布的铜原子呈现典型一维反铁磁耦合特征；与此同时，该原子链在轴向与垂直轴向方向展现出显著的导电各向异性，实验观测结果与理论计算基本吻合。

从铜原子链走向可设计的一维原子链平台

尤为关键的是，该合成策略并不仅限于酞菁铜体系。研究团队选取晶体堆积方式相近的酞菁钴、酞菁镍、酞菁锌以及无金属酞菁开展高压实验，经高压处理后，各类前驱体均生成结构相近的碳包覆一维聚合结构，充分印证该高压固相拓扑聚合策略具备普适性。本方法不仅为构筑不同金属组分的碳包覆单原子链奠定实验基础，也为混合金属原子链、一维异质结构的设计开辟了新路径。

图4. 基于不同酞菁前体所得单金属原子链的粉末衍射结果。实验与模拟数据的高度一致性展现了高压固相拓扑聚合策略的普适性。

该研究由北京高压科学研究中心联合南开大学、北京大学和华南理工大学等单位完成。北京高压科学研究中心博士研究生张杰为论文第一作者，李阔研究员为通讯作者。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目资助。实验上也获得了极端条件用户装置、上海同步辐射光源 BL17UM 和 BL14W1 线站及 SPring-8 BL10XU线站等的支持。

论文信息：

Jie Zhang et al., “Ultra-Long Sheathed Single-Metal-Atom Chains Synthesized Under High Pressure,”Science, 2026.

Doi:10.1126/science.aeg0028

来源：北京高压科学研究中心