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彎曲碳螺線管只在理論預(yù)測中出現(xiàn)，文獻(xiàn)中從未報道該類材料的精確合成與性質(zhì)探究；中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)杜平武教授課題組實現(xiàn)了首個具有黎曼曲面的彎曲碳納米螺線管材料，該工作填補(bǔ)了分子基彎曲碳螺旋材料領(lǐng)域的空白。這項研究成果近日在國際學(xué)術(shù)期刊《Nature Communications》以“Synthesis of a magnetic π-extended carbon nanosolenoid with Riemann surfaces”為題發(fā)表（Nat. Commun.2022, 13, 1239）。

分子基碳材料，因其獨特的幾何形狀所導(dǎo)致的豐富的物理化學(xué)性質(zhì)(包括機(jī)械性能、導(dǎo)電性、吸收和發(fā)光性質(zhì)等)，而受到廣泛的關(guān)注。一個原子石墨烯平面圍繞著垂直于基面的線連續(xù)螺旋，這可以被認(rèn)為是緊密遵循的黎曼面(即log z型)。作為著名的數(shù)學(xué)對象，黎曼曲面（圖1a）的提出是為了預(yù)測多值分析函數(shù)的單值域。在每個局部點看來，它們就像一片復(fù)平面，但其整體的拓?fù)淇赡軙x平面，使其看起來像球或環(huán)，甚至是拓?fù)涓訌?fù)雜優(yōu)美的螺旋。黎曼曲面不僅在現(xiàn)代數(shù)學(xué)的發(fā)展中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，而且還為多功能彎曲碳材料的設(shè)計和合成提供新的見解。理論預(yù)測表明當(dāng)施加電壓時，具有類似于黎曼曲面的碳螺線管可作為量子導(dǎo)體，產(chǎn)生較大的磁場和電感。然而，實現(xiàn)這種具有大共軛延伸的螺旋拓?fù)湫蚊彩且豁椫卮筇魬?zhàn)。

圖1. a)理論預(yù)測的碳納米螺線管示例；b)合成出的三維π延伸扭曲碳納米螺線管（CNS）材料。

近日，研究團(tuán)隊利用精確的自下而上的合成方法，通過合理設(shè)計、合成合適的分子前體以實現(xiàn)目標(biāo)分子的螺旋扭曲，成功構(gòu)建了首個具有黎曼曲面的大共軛無金屬碳納米螺線管（carbon nanosolenoid，簡寫為CNS，圖1b）材料。結(jié)合多尺度實驗表征手段及理論分析，對碳納米螺線管的結(jié)構(gòu)特征和性質(zhì)開展了系統(tǒng)研究。利用固態(tài)核磁共振波譜、傅里葉變換紅外（圖2a）、XPS、拉曼等證實了該材料具有大共軛的π延伸結(jié)構(gòu)。低劑量高分辨集成差分相位對比掃描透射電子顯微鏡（iDPC-STEM，圖2c-e）成像呈現(xiàn)了其螺距為~0.4 nm且寬度為~2.7 nm的單鏈螺旋的分子結(jié)構(gòu)。通過紫外可見吸收、熒光和時間分辨光致發(fā)光光譜證實了其具有豐富的可見光吸收特性。值得注意的是，CNS具有1.97 eV的低光學(xué)帶隙和強(qiáng)烈的紅色光致發(fā)光。通過EPR、SQUID和理論計算研究了CNS的基態(tài)電子結(jié)構(gòu)和磁性行為,磁性測試結(jié)果表明，常溫下CNS含有大量自由基單電子，顯示出強(qiáng)烈的EPR磁信號，在低溫下具有順磁性響應(yīng)和復(fù)雜的磁有序行為（圖2f-g）。

圖2. a)紅外光譜；b-e) iDPC-STEM電鏡表征；e) EPR磁性表現(xiàn)出強(qiáng)烈的單電子自由基信號；f-g) SQUID測試表明在低溫下具有順磁性響應(yīng)和復(fù)雜的磁有序行為。

該工作擴(kuò)充了sp2碳同素異形體材料的范疇，這種結(jié)構(gòu)精確的π延伸碳螺線管材料，為研究人員對其物理性質(zhì)進(jìn)行深入探究提供了可能，并為開發(fā)多種螺旋碳材料在電子材料、量子材料、和自旋電子器件提供了實驗基礎(chǔ)。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院材料科學(xué)與工程系博士生王進(jìn)義和浙江工業(yè)大學(xué)朱藝涵教授、莊桂林教授為文章的共同第一作者。杜平武教授為論文的單通訊作者。該項研究得到了國家自然科學(xué)基金項目（21971229, U1932214）、科技部重大研究計劃（2017YFA0402800）、能源材料化學(xué)前沿協(xié)同創(chuàng)新中心、和合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心的資助。

附文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-28870-z

（合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、中科院能量轉(zhuǎn)換重點實驗室、能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心、科研部）