我的Nature Materials論文剛剛上線，因此來寫個關于碳材料的小故事。
就像奧運會的口號一樣，“更快、更高、更強”。科學研究也往往向極端的方向演化：大到宇宙，小到夸克、原子。在二維材料的研究中，科學家往往對制備更大更薄的單晶樣品感興趣。具體到碳鏈的研究上，因為其本身的一維結構限制，就意味著研究的目標只剩下了在長度上的突破，即，制備更長的碳鏈。
圖1. 電鏡表征
眾所周知，碳原子因為其獨特的4電子結構，使得其區別于其他元素，擁有多種同素異形體（碳原子的神奇之處還在于它是創造了生命必不可少的主要元素，組成各類蛋白質……）。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（Hirsch. Nature Mater. 2010）。如：sp3雜化形成的金剛石是絕緣體；sp2雜化形成的石墨、石墨烯（2010年諾貝爾獎物理獎），是良導體；區于sp3和sp2之間的，如碳納米管和富勒烯（如C60，C70等等，1996年諾貝爾獎化學獎），是半導體/金屬型和半導體。最后，單三鍵形成的sp雜化的碳鏈，則是能帶隨著其長度可調的半導體。
圖2. CNT被LLCC包裹的最佳直徑計算
然而，碳鏈是這類眾多碳的同素異形體中，最不為人知的一個。最主要的原因是：它的結構極不穩定，難以存在于常溫常壓下，且相互之間容易產生cross-link 反應。石墨烯在2004年被剝離出來之前，也被廣泛地認為單原子層的石墨烯不存在，因為其熱力學的不穩定性。然而，現在大家都知道，不僅石墨烯單原子層可以穩定存在，并且其他各類金屬，有機物，無機物的單原子層也可以被制備和發現，如：2016年3月剛剛實現的硼單原子層，14年的鐵單原子層，目前熱門的各類TMDs材料，黑磷，等等。
碳鏈的存在和發現一直存在著很大的爭議（Smith, et al. Science 1981, 1982）。它的發現可以追溯到上個世紀60年代，蘇聯科學家號稱在隕石中發現了一維的碳鏈結構，并將其命名為carbyne（Kasatochkin, et al. Dokl. Akad. Nauk SSSR 1967）。之后對于碳鏈的研究，大致可以分為幾類：
1) 在自然中尋找和發現，包含宇宙中，隕石中，火山巖中，等等。
2) 實驗室中模擬高溫高壓環境制備碳鏈（如：Heath, et al. J. Am. Chem. Soc. 1987）；
3) 利用自下而上的化學方法，從短到長，制備碳鏈（如：Chalifoux et al. Nature Chemistry 2010）；
4) 在碳管中制備碳鏈（如本文）。
圖3. CNT限域制備超長線型碳鏈策略
Smalley, Curl和Kroto因為他們對于富勒烯的研究而獲得1996年的諾貝爾獎化學獎。然而他們研究的起因是，Curl一直在從事對于碳鏈的研究。他開始是利用光譜方法來研究宇宙中存在的短碳鏈，然而這種方法不僅費時費力，并且相當昂貴。他聽說了Smalley實驗室有一臺最新設計的激光沉積系統，配備有先進的mass spectrometer，可以模仿宇宙中的高溫環境同時測試產物的mass，因此他想利用同樣的系統來模擬宇宙中的極端環境來人工制備碳鏈。由此，偶然而必然地帶來了C60的神奇發現（Kroto, et al. Nature 1985）。其實，他們也成功地利用這臺設備制備出了各種長度的短碳鏈（Heath, et al. J. Am. Chem. Soc. 1987）。
碳鏈的化學法制備，最早可以追溯到1885年，Baeyer利用化學法，初步嘗試制備短碳鏈。Baeyer由于他在有機化學中的整體貢獻，而獲得了1905年的諾貝爾獎化學獎。經過一百多年的發展，利用自下而上的方法，獲得了最長包含44個碳原子的碳鏈（Chalifoux et al. Nature Chemistry 2010）。
在碳管中制備碳鏈，源于碳管的研究興起，啟發于C60@碳納米管的peapod結構的成功制備。利用碳管的保護，來達到制備長碳鏈的目的。最開始是由趙新洛教授利用電弧法直接制備得到了存在于多壁碳納米管中的長直碳鏈（Zhao, et al. Physical Review Letters 2003）。之后Shinohara教授組對于短碳鏈填充到碳納米管中進行了廣泛的研究。我的這篇NM論文的意義在于：利用后處理的方法，在雙壁碳納米管中直接大量制備微米級別的碳鏈（包含幾千個碳原子），并且利用TEM和近場拉曼直接觀測到了碳鏈的長度和拉曼峰；另外，還研究了碳鏈和碳管之間的相互作用。不久之后，還將有幾篇論文專注于：碳鏈和碳管之間的電荷傳遞，碳鏈的能級，碳鏈對于碳管熒光光譜增強的研究，等等。屆時再一一介紹。
圖4. Raman表征
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