彎曲碳螺線管只在理論預測中出現，文獻中從未報道該類材料的精確合成與性質探究；中國科學技術大學杜平武教授課題組實現了首個具有黎曼曲面的彎曲碳納米螺線管材料，該工作填補了分子基彎曲碳螺旋材料領域的空白。這項研究成果近日在國際學術期刊《NatureCommunications》以“Synthesisofamagneticπ-extendedcarbonnanosolenoidwithRiemannsurfaces”為題發表（Nat.Commun.2022,13,1239）。

分子基碳材料，因其獨特的幾何形狀所導致的豐富的物理化學性質(包括機械性能、導電性、吸收和發光性質等)，而受到廣泛的關注。一個原子石墨烯平面圍繞著垂直于基面的線連續螺旋，這可以被認為是緊密遵循的黎曼面(即logz型)。作為著名的數學對象，黎曼曲面（圖1a）的提出是為了預測多值分析函數的單值域。在每個局部點看來，它們就像一片復平面，但其整體的拓撲可能會偏離平面，使其看起來像球或環，甚至是拓撲更加復雜優美的螺旋。黎曼曲面不僅在現代數學的發展中發揮著至關重要的作用，而且還為多功能彎曲碳材料的設計和合成提供新的見解。理論預測表明當施加電壓時，具有類似于黎曼曲面的碳螺線管可作為量子導體，產生較大的磁場和電感。然而，實現這種具有大共軛延伸的螺旋拓撲形貌是一項重大挑戰。

圖1. a)理論預測的碳納米螺線管示例；b)合成出的三維π延伸扭曲碳納米螺線管（CNS）材料。

近日，研究團隊利用精確的自下而上的合成方法，通過合理設計、合成合適的分子前體以實現目標分子的螺旋扭曲，成功構建了首個具有黎曼曲面的大共軛無金屬碳納米螺線管（carbonnanosolenoid，簡寫為CNS，圖1b）材料。結合多尺度實驗表征手段及理論分析，對碳納米螺線管的結構特征和性質開展了系統研究。利用固態核磁共振波譜、傅里葉變換紅外（圖2a）、XPS、拉曼等證實了該材料具有大共軛的π延伸結構。低劑量高分辨集成差分相位對比掃描透射電子顯微鏡（iDPC-STEM，圖2c-e）成像呈現了其螺距為~0.4nm且寬度為~2.7nm的單鏈螺旋的分子結構。通過紫外可見吸收、熒光和時間分辨光致發光光譜證實了其具有豐富的可見光吸收特性。值得注意的是，CNS具有1.97eV的低光學帶隙和強烈的紅色光致發光。通過EPR、SQUID和理論計算研究了CNS的基態電子結構和磁性行為,磁性測試結果表明，常溫下CNS含有大量自由基單電子，顯示出強烈的EPR磁信號，在低溫下具有順磁性響應和復雜的磁有序行為（圖2f-g）。

圖2. a)紅外光譜；b-e)iDPC-STEM電鏡表征；e)EPR磁性表現出強烈的單電子自由基信號；f-g)SQUID測試表明在低溫下具有順磁性響應和復雜的磁有序行為。

該工作擴充了sp2碳同素異形體材料的范疇，這種結構精確的π延伸碳螺線管材料，為研究人員對其物理性質進行深入探究提供了可能，并為開發多種螺旋碳材料在電子材料、量子材料、和自旋電子器件提供了實驗基礎。中國科學技術大學化學與材料科學學院材料科學與工程系博士生王進義和浙江工業大學朱藝涵教授、莊桂林教授為文章的共同第一作者。杜平武教授為論文的單通訊作者。該項研究得到了國家自然科學基金項目（21971229,U1932214）、科技部重大研究計劃（2017YFA0402800）、能源材料化學前沿協同創新中心、和合肥微尺度物質科學國家研究中心的資助。