第一作者：Lei Shi
通訊作者：Thomas Pichler
通訊單位：維也納大學
研究亮點：
1. 將最內層的碳納米管和碳鏈一起從雙壁碳納米管中抽出。
2. 證明了在雙壁碳納米管中，只有內層管影響里面的一維碳鏈。
眾所周知，碳原子因為其獨特的外層4電子結構，使得其區別于其他元素，擁有多種同素異形體。
這些碳的同素異形體從導電性能來看，從導體、半導體、半金屬，一直延伸到絕緣體。如：sp3雜化形成的金剛石是絕緣體；sp2雜化形成的石墨是良導體；介于sp3和sp2之間的，如碳納米管和富勒烯是半導體/金屬型和半導體；sp1雜化的碳鏈則更加神奇，它可能是絕緣體，半導體或者金屬。
而從空間結構來分類的話，碳的同素異形體多種多樣，從三維到一維，其中新型的納米碳包含富勒烯（準零維，諾貝爾化學獎），碳納米管（準一維，諾獎級別），石墨烯（二維，諾貝爾物理學獎），石墨炔（二維，sp和sp2雜化），等。然而相比較其他納米碳材料，很多人并不知道真正的一維納米碳材料：碳鏈（一維，未來的發展方向）。
2016年，一篇發表在Nature Materials上的論文講述了如何利用碳納米管為模版來制備超長一維原子碳鏈（Lei Shi, et al. Nature Materials 15 (6), 634-639, 2016），引起了碳材料領域高度的關注 ，使得這種已經被研究了一百多年，但是仍然知之甚少的材料重回科學家的視野。
之后，這種超長碳鏈的能隙也被確定在半導體的范圍之內（Lei Shi, et al. Physical Review Materials 1 (7), 075601, 2017），因此具有半導體方向廣闊的發展前景。近日，利用近場拉曼光譜的方法對于單根超長碳鏈的研究首次無可爭議地證明了實驗得到的超長碳鏈即是carbyne，證明了這種理想一維碳材料的存在（carbyne的存在與否一直是一百多年來這個研究方向最大的爭議）（Sebastian Heeg, et al. Nano Letters 2018, DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b01681）。
碳鏈是在碳納米管中生長的，生長之后是否能夠將碳鏈從碳納米管中拿出來？這個問題很容易回答，那就是目前還不能完全拿出來，因為碳鏈的高度活性和不穩定性會導致單獨的碳鏈直接分解而不復存在。有機化學家努力了一百多年，也只是將最長的碳鏈穩定到了包含44個碳原子，碳鏈的兩頭加上了復雜的化學基團（Wesley A Chalifoux, et al. Nature Chemistry 2, 967-971, 2010）。
碳納米管模版法制備的碳鏈最長包含幾千個碳原子，基本上沒有可能找到合適的化學基團來將拿出來的碳鏈穩定住，因此，碳納米管的作用和有機化學基團的作用是一樣的，穩定碳鏈的同時，還會改變碳鏈本身的性能，如：碳鏈和碳管/化學基團之間的相互作用和電荷傳遞會導致碳鏈能隙減小。
有鑒于此，維也納大學的Thomas Pichler等人通過實驗證明，可將最內層的碳納米管和碳鏈一起從雙壁碳納米管中抽出。
圖1 梯度密度離心之后，碳鏈@內層碳管處于上層的部分
報道顯示，利用超聲和梯度密度離心的方法可以將碳鏈@單層碳納米管和其他的碳納米材料分開。通過拉曼光譜和吸收光譜還證明了雙壁碳納米管的外層管對于碳鏈的性能沒有影響，只有內層管才會通過相互作用和電荷傳遞來影響里面的一維碳鏈。未來的研究著眼于如何在抽離過程中降低碳鏈的損耗和其熒光光譜的探測方向上。
圖2 電鏡直接觀測碳鏈@內層碳管結構
圖3 吸收光譜和拉曼mapping對離心管中不同層材料的分析
圖4-5 拉曼光譜分析不同層中碳鏈的長度分布
圖6 探討超聲條件對于碳鏈的影響
總之，這項研究實現了制備長度較長的一維碳納米材料。該方法為進一步制備一維碳鏈提供了參考。
參考文獻：
Lei Shi, Yanagi K, Cao K, et al. Extraction of Linear Carbon Chains Unravels the Role of the Carbon Nanotube Host[J]. ACS Nano, 2018.
DOI: 10.1021/acsnano.8b04006
