《Nature Materials》：史上最长线性碳链

如果说化学家是分子的建筑师，那么创造出新的分子结构对于化学家，就如同建设各种设计新颖的建筑对于建筑师一样，让人激动兴奋。分子的世界虽然小到人眼看不到，但迄今被化学家们发现和创造的无数或精巧或宏伟的分子结构，其令人惊叹的程度，决不亚于世界上任何一处的建筑。

不仅如此，这些新的分子结构不仅具有形式上的美感，很多还具有前所未有的物理学、化学或生物学特性，比较近的例子就是福勒烯、碳纳米管和石墨烯了。这些三维或二维的材料都只含有碳这一种元素，但其独特的性能却在从材料科学到生物医学的广泛领域内得到了成功地应用。

碳从三维降到二维就有这样的惊喜，那你也许会想到，如果再降到一维成为线性碳链会如何呢？事实上，化学家们确实正在探索合成线性碳链的方法。最近，在《Nature Materials》上就发表了以奥地利维也纳大学Thomas Pichler为首的一个国际研究团队的文章，报道了他们已经合成出了迄今为止最长的线性碳链结构，由超过6000个碳原子连接而成，远超之前约100个碳原子的长度记录。（Confined linear carbon chains as a route to bulk carbyne. Nature Mater., DOI: 10.1038/nmat4617）

碳纳米管（灰色）中的线性碳链（红色）。图片来源：University of Vienna

这种新的碳链的长度已经接近于1微米，是目前最接近于一维碳单体碳炔（carbyne）的结构，而后者已成为世界上最具争议性的材料之一。理论上说，碳炔是碳原子通过交替的单键和三键连接而成的无限长的链，与碳的三维或二维同素异形体（如石墨烯、碳纳米管和金刚石等）相比具有更高的强度和刚性，而且还有希望制造最小宽度的场效应晶体管。

不过在实际情况中，线性碳链很不稳定，极易发生交联，这种不稳定性以及很多化合物被错误地定义成碳炔，使得每每有新的化合物被称为碳炔时，都会引起热烈的争论。因此，Pichler团队将他们合成的这种化合物故意地称为“长线性碳链（long linear carbon chains，LLCCs）”。

他们通过在保护性的碳纳米管内部生长碳链来解决稳定性的问题。在高真空条件下，研究人员用退火过程在中空的双壁碳纳米管（DWCNTs）的内管中（内管直径0.7纳米）生成线性碳链，双壁碳纳米管既是纳米反应器，又是封装和保护线性碳链的工具。因此，该团队可以创造比之前更长、碳原子更多的碳链，Pichler说。

碳纳米管中线性碳链的高分辨透射电镜照片

名古屋大学的纳米碳化学家Hisanori Shinohara说，这是一个激动人心的研究。“下一个重要且必要的步骤，是从碳纳米管中取出线性碳分子”，以了解它们的性质，他补充道。

1. http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat4617.html

2. http://cen.acs.org/articles/94/i15/New-record-longest-linear-carbon.html