从石器时代，到青铜器时代和铁器时代，再到硅时代，科学技术，尤其是材料技术的发展始终推动着人类社会的不断进步。当今世界，富勒烯，碳纳米管，石墨烯等新型碳纳米材料不断涌现，为社会生活方方面面的变革带来巨大的潜力，似乎昭示着碳时代的到来。
横空出世：C18环状分子（环碳）
Cyclocarbon
9月20日，来自IBM和牛津大学的研究团队在Science报道了一种单纯由18个碳原子组成的环状分子C18，碳环由交替的单键和三键构成，这为碳材料乃至整个科学史上带来了新物种。
事实上，这种由纯碳组成的环状分子，早在多年前就引起包括诺贝尔化学奖得主在内的众多科学家的关注，但是都没有成功，大都数化学家都已经放弃了这个课题。
诺贝尔化学奖得主Roald Hoffmann称赞说：“这项工作非常好（The work is beautiful）。”
日本大阪大学的化学家Yoshito Tobe说：“这是一项令人惊叹的工作，开辟了一个新的研究领域。许多科学家，包括我自己，都试图捕获环状的碳化合物并确定它们的分子结构，但是都徒劳无功。”
50年的谜团
目前已知的纯碳的存在形式主要包括金刚石，富勒烯，碳纳米管和石墨烯。取决于碳原子的不同构型所形成的化学键，碳表现出不同的形式。如果每个原子以金字塔形图案与4个相邻原子结合，就形成金刚石；如果与3个相邻原子结合，就形成单层石墨烯。
那么，如果每个碳原子与2个相邻原子结合成键，会怎样呢？
诺奖得主Roald Hoffmann等人很早之前就推测，每个碳原子与2个相邻原子结合成键，极有可能形成纯碳原子链。每个原子可能在每一侧形成双键（意味着相邻的原子共享两个电子），或者一侧是三键而另一侧是单键。对于C18环到底是具有交替的三键和单键，还是完全由双键构成，理论预测长期存在分歧，困扰了科学家长达50年之久，这一实验结果正式宣告了分歧的结束。
基于这种推测，国际上多个团队曾经尝试来合成纯碳环或者链，但是由于这种类型的结构比石墨烯或金刚石更具有化学反应性，不太稳定，特别是在弯曲时容易发生变化，因此几乎所有的尝试都以失败告终。英国牛津大学的化学家Przemyslaw Gawel指出，合成稳定的链和环通常需要包含除碳之外的元素。一些实验表明在气体云中可以产生全碳环，但他们无法找到确凿的证据。
意外发现？
牛津大学的研究团队使用标准的“湿”化学法，首先合成了包含四个碳原子的方形分子，其中氧原子附着在正方形上。然后，该团队将样品送到瑞士苏黎世的IBM实验室，研究人员将含氧的碳分子放在高真空室内的氯化钠层上，通过原子力显微镜（也可以作为扫描调谐显微镜）用电流操纵环以去除含氧部分。经过多次反复试验，最终通过显微照片扫描确认可以合成纯C18环状结构。
来自牛津大学的共同第一作者Scriven表示：“我从没想过我会看到这个。”
Gawel指出，这种单键和三键的交替键颇具特色，它们使得C18环具有半导体的特性。结果表明，长而直的碳链也可能是半导体，这为未来分子级晶体管的实现奠定了基础。
未来可期
不过，这还是非常基础的研究，也存在许多问题悬而未决。一个方面是，目前一次只能制造一个分子，希望未来能进一步突破，实现这种分子的新的制备方法。第二个问题正如诺奖得主Roald Hoffmann所提出，这种C18环是否稳定，也是未来需要进一步研究的问题。第三个问题则在于，这种材料是否具有独特的性质，是否将为碳材料带来全新的机遇？
参考文献：
【1】Katharina Kaiser et al. An sp-hybridizedmolecular carbon allotrope, cyclo[18]carbon. Science .
链接
【2】Davide Castelvecchi. Chemists makefirst-ever ring of pure carbon. Nature .
链接
