碳原子因為其獨特的四電子結構，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電性能從導體、半導體、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。理論上預測一維碳鏈具有比石墨烯和碳納米管更好的力學、電學和熱學性能，因此具有重要的研究意義和研究價值。然而由于一維碳鏈的結構極不穩定，難以存在于常溫常壓下，且相互之間容易產生交聯反應，因此對碳鏈的研究進展緩慢、難以開展。
為了解決一維碳鏈的穩定性問題，我校材料科學與工程學院石磊副教授和Thomas Pichler教授等人合作發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的一維碳鏈，且在常溫常壓下具有優異的穩定性（Shi L., et al. Nature Materials, 15, 634–639, 2016）。此后，通過超聲和梯度密度離心我們還實現了抽出和分離雙壁碳納米管中的碳鏈和內層碳納米管，發現碳鏈的性能和內層碳納米管密切相關，而與外層碳納米管無關（Shi L., et al. ACS Nano, 12, 8477–8484, 2018）。隨后與瑞士蘇黎世聯邦理工學院的合作研究表明單根碳鏈的性能確實可以通過碳納米管和碳鏈之間的相互作用來調控（Heeg S., et al. Nano Letters, 18, 5426–5431, 2018）。然而從制備的角度上來看，控制合成雙壁碳納米管的直徑十分困難，因此石磊副教授開發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化為雙壁碳納米管，從而實現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，通過左邊的電鏡圖可以直接觀察到一維碳鏈在雙壁碳納米管中時，碳納米管的直徑變窄，說明兩者之間存在較強的相互作用。通過碳納米管的直徑可以控制此相互作用的大小，從而最終實現了一維碳鏈的性能調控，其帶隙可在1.8到2.3電子伏特之間調節（如圖中右測的拉曼光譜所示，體現為峰位隨著碳納米管直徑的減小而產生紅移）。
圖1. 碳納米管和碳鏈之間的相互作用可用于調控碳鏈的性能
相關的研究成果以“Towards Confined Carbyne with Tailored Properties”為題發表在國際著名學術期刊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，中山大學材料科學與工程學院為論文第一單位，Thomas Pichler教授（實驗支持）、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
首次合成同位素標記一維碳鏈
近期，研究團隊關于合成同位素標記的一維碳鏈的論文也被Angew. Chem. Int. Ed.接收發表，這是世界首次合成同位素標記的一維碳鏈樣品。同位素可用于追蹤物質的運行和變化規律。同位素標記的材料往往可以保持相同的化學性質，但是其物理性質會發生改變。后續將繼續針對樣品進行光學和熱學方面的深入研究，探究其物理性能的變化。
圖2. 同位素標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實驗完成材料的合成和拉曼光譜表征，烏爾姆大學的曹克誠教授（現上海科技大學）和Ute Kaiser教授進行的電鏡表征工作，日本產業綜合研究所的Takeshi Saito研究員提供的單壁碳納米管樣品，維也納大學的Paola Ayala教授對寫作和數據分析有貢獻，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
氣壓調節一維碳鏈的生長
課題組受邀在Journal of Applied Physics的專刊Special Topic on Physics and Applications of Nanotubes撰寫研究論文，報道了通過氣壓來調節一維碳鏈的生長。專輯客座編輯為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家自然科學基金、廣東省自然科學基金、中央高校基本科研業務費等的支持。
