第一作者：Lei Shi
通讯作者：Thomas Pichler
通讯单位：维也纳大学
研究亮点：
1. 将最内层的碳纳米管和碳链一起从双壁碳纳米管中抽出。
2. 证明了在双壁碳纳米管中，只有内层管影响里面的一维碳链。
众所周知，碳原子因为其独特的外层4电子结构，使得其区别于其他元素，拥有多种同素异形体。
这些碳的同素异形体从导电性能来看，从导体、半导体、半金属，一直延伸到绝缘体。如：sp3杂化形成的金刚石是绝缘体；sp2杂化形成的石墨是良导体；介于sp3和sp2之间的，如碳纳米管和富勒烯是半导体/金属型和半导体；sp1杂化的碳链则更加神奇，它可能是绝缘体，半导体或者金属。
而从空间结构来分类的话，碳的同素异形体多种多样，从三维到一维，其中新型的纳米碳包含富勒烯（准零维，诺贝尔化学奖），碳纳米管（准一维，诺奖级别），石墨烯（二维，诺贝尔物理学奖），石墨炔（二维，sp和sp2杂化），等。然而相比较其他纳米碳材料，很多人并不知道真正的一维纳米碳材料：碳链（一维，未来的发展方向）。
2016年，一篇发表在Nature Materials上的论文讲述了如何利用碳纳米管为模版来制备超长一维原子碳链（Lei Shi, et al. Nature Materials 15 (6), 634-639, 2016），引起了碳材料领域高度的关注 ，使得这种已经被研究了一百多年，但是仍然知之甚少的材料重回科学家的视野。
之后，这种超长碳链的能隙也被确定在半导体的范围之内（Lei Shi, et al. Physical Review Materials 1 (7), 075601, 2017），因此具有半导体方向广阔的发展前景。近日，利用近场拉曼光谱的方法对于单根超长碳链的研究首次无可争议地证明了实验得到的超长碳链即是carbyne，证明了这种理想一维碳材料的存在（carbyne的存在与否一直是一百多年来这个研究方向最大的争议）（Sebastian Heeg, et al. Nano Letters 2018, DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b01681）。
碳链是在碳纳米管中生长的，生长之后是否能够将碳链从碳纳米管中拿出来？这个问题很容易回答，那就是目前还不能完全拿出来，因为碳链的高度活性和不稳定性会导致单独的碳链直接分解而不复存在。有机化学家努力了一百多年，也只是将最长的碳链稳定到了包含44个碳原子，碳链的两头加上了复杂的化学基团（Wesley A Chalifoux, et al. Nature Chemistry 2, 967-971, 2010）。
碳纳米管模版法制备的碳链最长包含几千个碳原子，基本上没有可能找到合适的化学基团来将拿出来的碳链稳定住，因此，碳纳米管的作用和有机化学基团的作用是一样的，稳定碳链的同时，还会改变碳链本身的性能，如：碳链和碳管/化学基团之间的相互作用和电荷传递会导致碳链能隙减小。
有鉴于此，维也纳大学的Thomas Pichler等人通过实验证明，可将最内层的碳纳米管和碳链一起从双壁碳纳米管中抽出。
图1 梯度密度离心之后，碳链@内层碳管处于上层的部分
报道显示，利用超声和梯度密度离心的方法可以将碳链@单层碳纳米管和其他的碳纳米材料分开。通过拉曼光谱和吸收光谱还证明了双壁碳纳米管的外层管对于碳链的性能没有影响，只有内层管才会通过相互作用和电荷传递来影响里面的一维碳链。未来的研究着眼于如何在抽离过程中降低碳链的损耗和其荧光光谱的探测方向上。
图2 电镜直接观测碳链@内层碳管结构
图3 吸收光谱和拉曼mapping对离心管中不同层材料的分析
图4-5 拉曼光谱分析不同层中碳链的长度分布
图6 探讨超声条件对于碳链的影响
总之，这项研究实现了制备长度较长的一维碳纳米材料。该方法为进一步制备一维碳链提供了参考。
参考文献：
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
