第一作者：Shantanu Mishra, Doreen Beyer
通訊作者：Xinliang Feng，Roman Fasel
通訊單位：瑞士聯邦材料科學與技術實驗室、德累斯頓工業大學
C38H18是一種蝴蝶結狀的多環芳烴分子，理論上可以直接從石墨烯中得到。神奇之處在于，它擁有偶數個原子和電子，但是碳原子的成鍵方式使得所有電子都發生配對不可能實現。因此，170個價電子中，有168個電子以化學鍵共享，另外兩個電子不成對，并具有異常獨特的磁性。兩個不成對的電子的存在，使得這種在有機化學中被稱為自由基的分子具有極強的反應性，而且難以分離。
圖1. Triangulene（來源：Nature）
20世紀50年代，有機化學家Erich Clar預測并試圖合成一種三角形分子（triangulene）的雙自由基石墨烯，最終宣告失敗，近70年后的2017年，IBM的科學家首次合成這種三角形分子。1972年，在triangulene 相關理論的基礎上，Erich Clar預測并試圖合成一種稱之為Clar高腳杯的石墨烯納米材料（C38H18），也以失敗告終，直到2019年12月9日，由瑞士科學家Roman Fasel和德累斯頓工業大學華人科學家馮新亮領導的研究團隊，首次實驗上實現了C38H18石墨烯納米材料的合成。
圖2. 石墨烯納米結構（Triangulene和C38H18）
研究團隊受啟發于一種不穩定石墨烯片段的表面化學合成策略，首先以精妙的手段合成前驅體分子，然后將前驅體分子升華到Au(111)表面，Au(111)表面既充當載體，又充當催化劑，而且相比于其他幣族金屬更具有化學惰性。最后，樣品退火到300℃，促進前驅體轉變成C38H18。考慮到C38H18反應性極強，因此整個合成必須在超高真空條件下原位實現，以避免周圍分子與之發生作用。
圖3. 材料合成與表征
得益于高分辨率的STM成像和光譜學的不斷發展，研究團隊可以觀察和操縱石墨烯納米結構中的單個磁矩。研究人員在C38H18分子中發現了拓撲挫折誘導的特殊磁性。與金屬電極接觸后，反鐵磁基態仍然能夠存在，交換耦合強度為23 meV，優于過渡金屬納米磁體，并超過了郎道爾最小能量耗散極限。
總之，這個新分子的合成為碳基自旋電子學帶來了新希望。
圖4. 磁性研究
參考文獻：
ShantanuMishra et al. Topological frustration induces unconventional magnetism in ananographene. Nature Nanotechnology 2019.
DOI:10.1038/s41565-019-0577-9
https://www.nature.com/articles/s41565-019-0577-9
