環碳

環碳是由碳原子組成的環狀同素異形體分子。2019年，IBM蘇黎世研究實驗室團隊首次通過原子力顯微鏡技術合成由18個碳原子構成的環碳分子（C₁₈），其結構為單鍵與三鍵交替連線，研究成果發表於《科學》雜誌。2024年，科學家進一步合成奇數環碳C₁₃及其二聚體C₂₆，拓展了環碳家族體系。實驗證實環碳分子具有半導體性質，在納米電子元件領域顯示出套用潛力。該系列研究解決了碳同素異形體結構預測爭議，為量子化學理論提供了實驗基準。

基本介紹

• 分子式：C18  
• 發現時間：2019年 
• 合成技術：表面脫羰基法 
• 結構特徵：單三鍵交替環狀 
• 相關研究：《科學》雜誌發表 
• 套用潛力：納米電子元件 

分子結構與特性

環碳分子由純碳原子構成閉環結構，其碳原子通過單鍵與三鍵交替連線形成穩定環形。2019年合成的C₁₈分子直徑約0.3納米，首次通過原子力顯微鏡實現結構成像。2024年合成的C₁₃分子呈現扭結幾何特徵，具有三重態基態開殼層構型。實驗表明奇數環碳穩定性低於偶數環碳，但可通過二聚化形成C₂₆分子。

固態環碳分子屬於分子晶體，具有硬度小、熔點低的物理特性。分子中碳碳三鍵的存在使其化學性質較為活潑，需在惰性表面隔離保存。

合成方法

C₁₈分子通過氧化環碳前體脫羰基製備：在氯化鈉表面使用原子力顯微鏡逐步去除C₂₄O₆前體中的一氧化碳基團，最終獲得純碳環結構。C₁₃分子採用掃描探針顯微鏡針尖操縱技術，通過脫鹵二聚反應合成。該方法可在分子層面精確控制碳原子排列，實現特定尺寸環碳（如C13、C18、C26等）的可控制備。

截至2024年，科學家已成功合成核數n=10至18的環碳分子，以及奇數環碳C₁₃及其衍生物。

科學價值與套用

環碳的合成驗證了長期存在的碳鍵結構理論爭議，為分子計算模型最佳化提供實驗依據。其半導體特性顯示出在納米電晶體等電子元件中的套用前景。牛津大學團隊指出，環碳可作為構建單元用於合成更複雜碳材料。

研究還揭示了環碳電子結構的環境依賴性：C₁₃分子吸附在不同表面時會產生畸變和卡賓局域化現象。這種特性為開發可調諧電子器件提供了理論支持。

研究進展

2019年前的環碳研究主要集中於氣相檢測推測，未能實現結構表征。2019年突破後，研究重點轉向不同尺寸環碳的合成與性質分析。2024年奇數環碳的成功製備，標誌著環碳研究從偶數體系擴展至更複雜結構體系。

諾貝爾獎得主Roald Hoffmann評價環碳研究“解決了碳同素異形體結構難題”。目前研究仍處基礎階段，科學家正探索提高合成效率的方法。