文章导读
当石墨烯和富勒烯早已名扬天下，科学家们却仍在追寻一种更神秘的三维碳结构——施瓦茨碳。这种理论上能颠覆能源存储与材料科学的奇迹材料，因极难合成而沉寂数十年。如今，清华大学王朝晖团队用巧妙设计破解了高张力结构的合成密码，首次制备出关键分子片段，为打开三维碳材料宝库迈出决定性一步。这项突破将如何重塑未来电池与量子器件的可能性？
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近日，清华大学化学系王朝晖教授团队在共轭碳材料领域取得重要突破，首次实现施瓦茨碳P192中关键片段的合成，向新型碳同素异形体的精准创制迈出关键一步。
从金刚石和石墨的发现开始，人们对碳材料的利用有着悠久的历史。近年来，以sp2杂化的碳原子组成的碳同素异形体的发现为物理、化学及材料科学等领域的发展注入了不竭的动力，并催生出碳基量子材料、高性能光电器件、能量存储等前沿性应用。其中，富勒烯和石墨烯的发现更是分别获得1996年的诺贝尔化学奖和2010年的诺贝尔物理学奖。
施瓦茨碳是一类具有三重周期性的三维共轭碳同素异形体，该类结构由铺展在三重周期极小曲面（TPMS）上的sp2杂化碳原子组成，并根据TPMS的对称性分为Primitive型（P）、Gyroid型（G）和Diamond型（D）等多种类型。理论研究表明，这类多孔状的三维共轭碳结构在超级电容器、电池电极材料和气体的分离与储存等方向均具有广阔的应用前景。然而，这种三维共轭的负曲率碳结构却从未被报道。
施瓦茨碳P192作为最具代表性的施瓦茨碳结构，一直以来都是科学家们长期追求的目标，其中由六元环和八元环组成的负曲率区域是其形成三维共轭网络的结构基础。然而，此类负曲率管状结构常常伴随着极高的环张力，其高度扭曲的结构令合成科学家们望而却步。
施瓦茨碳P192及其关键片段结构
王朝晖团队设计合成的半管形片段分子，打破了此类结构难以精准合成的瓶颈。他们从廉价易得的原料出发，通过具有高选择性的偶联反应，简单高效地得到了高度扭曲的双重大环前体，为后续高张力化学键的构建“预制”高张力前体化合物，并通过控制化学键键连次序，首次实现此类高张力结构的构建。这一突破标志着在曲面共轭碳材料合成领域的重大进展，并为后续进一步推进新型碳同素异形体的精准创制打下坚实的化学基础。
研究成果以“Schwarzite P192的半管状芳香片段：两个嵌入八边形的保守结构基序”（Semitubular Aromatic Fragment of Schwarzite P192: A Conserved Structural Motif with Two Embedded Octagons）为题，于近日发表于《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society, JACS），并被选为杂志封面。
清华大学化学系2022级博士生王明炜为论文第一作者，化学系教授王朝晖为论文通讯作者。研究得到国家自然科学基金委原创探索计划项目的资助。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c13263
供稿：化学系
编辑：李华山
审核：两个
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