第一作者：Shantanu Mishra, Doreen Beyer

通讯作者：Xinliang Feng，Roman Fasel

通讯单位：瑞士联邦材料科学与技术实验室、德累斯顿工业大学

C₃₈H₁₈是一种蝴蝶结状的多环芳烃分子，理论上可以直接从石墨烯中得到。神奇之处在于，它拥有偶数个原子和电子，但是碳原子的成键方式使得所有电子都发生配对不可能实现。因此，170个价电子中，有168个电子以化学键共享，另外两个电子不成对，并具有异常独特的磁性。两个不成对的电子的存在，使得这种在有机化学中被称为自由基的分子具有极强的反应性，而且难以分离。

图1. Triangulene（来源：Nature）

20世纪50年代，有机化学家Erich Clar预测并试图合成一种三角形分子（triangulene）的双自由基石墨烯，最终宣告失败，近70年后的2017年，IBM的科学家首次合成这种三角形分子。1972年，在triangulene 相关理论的基础上，Erich Clar预测并试图合成一种称之为Clar高脚杯的石墨烯纳米材料（C₃₈H₁₈），也以失败告终，直到2019年12月9日，由瑞士科学家Roman Fasel和德累斯顿工业大学华人科学家冯新亮领导的研究团队，首次实验上实现了C₃₈H₁₈石墨烯纳米材料的合成。

图2. 石墨烯纳米结构（Triangulene和C₃₈H₁₈）

研究团队受启发于一种不稳定石墨烯片段的表面化学合成策略，首先以精妙的手段合成前驱体分子，然后将前驱体分子升华到Au(111)表面，Au(111)表面既充当载体，又充当催化剂，而且相比于其他币族金属更具有化学惰性。最后，样品退火到300℃，促进前驱体转变成C₃₈H₁₈。考虑到C₃₈H₁₈反应性极强，因此整个合成必须在超高真空条件下原位实现，以避免周围分子与之发生作用。

图3. 材料合成与表征

得益于高分辨率的STM成像和光谱学的不断发展，研究团队可以观察和操纵石墨烯纳米结构中的单个磁矩。研究人员在C₃₈H₁₈分子中发现了拓扑挫折诱导的特殊磁性。与金属电极接触后，反铁磁基态仍然能够存在，交换耦合强度为23 meV，优于过渡金属纳米磁体，并超过了郎道尔最小能量耗散极限。

总之，这个新分子的合成为碳基自旋电子学带来了新希望。

图4. 磁性研究

参考文献：

ShantanuMishra et al. Topological frustration induces unconventional magnetism in ananographene. Nature Nanotechnology 2019.

DOI:10.1038/s41565-019-0577-9

https://www.nature.com/articles/s41565-019-0577-9