清華新聞網(wǎng)1月8日電 近日，清華大學(xué)化學(xué)系王朝暉教授團(tuán)隊(duì)在共軛碳材料領(lǐng)域取得重要突破，首次實(shí)現(xiàn)施瓦茨碳P192中關(guān)鍵片段的合成，向新型碳同素異形體的精準(zhǔn)創(chuàng)制邁出關(guān)鍵一步。
從金剛石和石墨的發(fā)現(xiàn)開(kāi)始，人們對(duì)碳材料的利用有著悠久的歷史。近年來(lái)，以sp2雜化的碳原子組成的碳同素異形體的發(fā)現(xiàn)為物理、化學(xué)及材料科學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展注入了不竭的動(dòng)力，并催生出碳基量子材料、高性能光電器件、能量存儲(chǔ)等前沿性應(yīng)用。其中，富勒烯和石墨烯的發(fā)現(xiàn)更是分別獲得1996年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)和2010年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
施瓦茨碳是一類(lèi)具有三重周期性的三維共軛碳同素異形體，該類(lèi)結(jié)構(gòu)由鋪展在三重周期極小曲面（TPMS）上的sp2雜化碳原子組成，并根據(jù)TPMS的對(duì)稱(chēng)性分為Primitive型（P）、Gyroid型（G）和Diamond型（D）等多種類(lèi)型。理論研究表明，這類(lèi)多孔狀的三維共軛碳結(jié)構(gòu)在超級(jí)電容器、電池電極材料和氣體的分離與儲(chǔ)存等方向均具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，這種三維共軛的負(fù)曲率碳結(jié)構(gòu)卻從未被報(bào)道。
施瓦茨碳P192作為最具代表性的施瓦茨碳結(jié)構(gòu)，一直以來(lái)都是科學(xué)家們長(zhǎng)期追求的目標(biāo)，其中由六元環(huán)和八元環(huán)組成的負(fù)曲率區(qū)域是其形成三維共軛網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。然而，此類(lèi)負(fù)曲率管狀結(jié)構(gòu)常常伴隨著極高的環(huán)張力，其高度扭曲的結(jié)構(gòu)令合成科學(xué)家們望而卻步。
施瓦茨碳P192及其關(guān)鍵片段結(jié)構(gòu)
王朝暉團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)合成的半管形片段分子，打破了此類(lèi)結(jié)構(gòu)難以精準(zhǔn)合成的瓶頸。他們從廉價(jià)易得的原料出發(fā)，通過(guò)具有高選擇性的偶聯(lián)反應(yīng)，簡(jiǎn)單高效地得到了高度扭曲的雙重大環(huán)前體，為后續(xù)高張力化學(xué)鍵的構(gòu)建“預(yù)制”高張力前體化合物，并通過(guò)控制化學(xué)鍵鍵連次序，首次實(shí)現(xiàn)此類(lèi)高張力結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。這一突破標(biāo)志著在曲面共軛碳材料合成領(lǐng)域的重大進(jìn)展，并為后續(xù)進(jìn)一步推進(jìn)新型碳同素異形體的精準(zhǔn)創(chuàng)制打下堅(jiān)實(shí)的化學(xué)基礎(chǔ)。
研究成果以“Schwarzite P192的半管狀芳香片段：兩個(gè)嵌入八邊形的保守結(jié)構(gòu)基序”（Semitubular Aromatic Fragment of Schwarzite P192: A Conserved Structural Motif with Two Embedded Octagons）為題，于近日發(fā)表于《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》（Journal of the American Chemical Society, JACS），并被選為雜志封面。
清華大學(xué)化學(xué)系2022級(jí)博士生王明煒為論文第一作者，化學(xué)系教授王朝暉為論文通訊作者。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委原創(chuàng)探索計(jì)劃項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c13263
供稿：化學(xué)系
編輯：李華山
審核：兩個(gè)
