科學研究 - 全球首次！室溫下合成雙原子碳，終結理論化學與實驗化學的爭論

日本東京大學研究生院藥學系研究科的宮本和範副教授與内山真伸教授（兼任日本信州大學先銳材料研究所教授）等人組成的聯合研究團隊，首次成功透過化學反應合成了雙原子碳（C2），並透過實驗確定了其特殊的化學鍵。另外還發現，利用該方法合成的C2會自然形成碳奈米材料（C60、奈米碳管、石墨烯）。

雙原子碳這種物質早在約一個世紀之前就被發現，但現在連其基本性質還都不清楚。此次研究成果將讓業界重新審視作爲化學基礎的化學鍵理論，有望查清太空和地球的碳資源起源。另外，今後還有望應用於C60、奈米碳管和石墨烯等奈米碳生成機制的研究，以及以C2爲分子材料的各種碳材料的研究。

研究背景

雙原子碳（C2）由兩個碳原子構成，是地球上最單純的碳分子。雖然早就知道蠟燭的藍色火焰和宇宙空間中存在C2，但現在對基本性質都也不甚清楚。C2此前被認爲僅在極端條件（比如加熱至3500攝氏度以上的碳蒸汽）下才能產生，因此一直在高能態下生成和研究C2。例如，透過對石墨進行電弧放電和雷射照射等，可以人工生成C2，但這樣生成的C2爲「雙鍵（單重態碳烯）」或「三鍵（三重態雙自由基）」（圖1）。不過，2012年以色列的研究團隊利用高精度量子化學計算法提出，C2在基態中具有「四鍵（單重態雙自由基）性」。也就是說，實驗化學家與理論化學家的觀點完全相反。

圖1：實驗化學家和理論化學家關於C2的結合始終持對立觀點

研究内容

聯合研究團隊認爲，實驗化學家與理論化學家之間出現的巨大差異可能是因爲實驗情境（高能態）與理論條件（基態）不同導致的。因此，本次研究開發了在室溫（或者更低的溫度）下生成C2的方法。最終，利用超價碘的「超級」解吸能力的分子設計，全球首次在常溫常壓下成功地化學合成了C2。

此外，該研究團隊還透過多種捕捉實驗等，認真調查了在常溫常壓下產生的C2的性質，首次透過實驗證明瞭「單重態雙自由基（包括電荷轉移鍵在内的四重鍵性質）」。這個結果完美再現了理論化學家的預測，結束了與實驗化學家之間長期持續的爭論。

由於這種雙自由基性質，C2會立即被空氣中的氧氣和雜質擷取並失活。因此，該研究團隊試着在鈍氣（氬）氛圍及無溶劑和常溫常壓條件下生成C2，發現會散發煙並生成黑色固體。研究團隊詳細調查了黑色固體，利用MALDI-MS從固體的甲苯提取液中觀測到了對應C60的分子離子峯，此時未檢測出C70以上的高階富勒烯類。

接下來，透過氧化處理去除了不溶於甲苯的黑色固體中的非晶碳部分，並利用拉曼光譜和高解析度穿透電子顯微術（HRTEM）詳細調查了去除非晶碳後的樣本，觀測到了「密密麻麻地擠滿二維石墨烯片的石墨」以及「奈米碳管和碳奈米角」。這些結果首次證明，C2能在常溫常壓下成爲奈米碳的來源。