科学研究 - 全球首次！室温下合成双原子碳，终结理论化学与实验化学的争论

日本东京大学研究生院药学系研究科的宫本和范副教授与内山真伸教授（兼任日本信州大学先锐材料研究所教授）等人组成的联合研究团队，首次成功通过化学反应合成了双原子碳（C2），并通过实验确定了其特殊的化学键。另外还发现，利用该方法合成的C2会自然形成碳纳米材料（C60、碳纳米管、石墨烯）。

双原子碳这种物质早在约一个世纪之前就被发现，但现在连其基本性质还都不清楚。此次研究成果将让业界重新审视作为化学基础的化学键理论，有望查清太空和地球的碳资源起源。另外，今后还有望应用于C60、碳纳米管和石墨烯等纳米碳生成机制的研究，以及以C2为分子材料的各种碳材料的研究。

研究背景

双原子碳（C2）由两个碳原子构成，是地球上最单纯的碳分子。虽然早就知道蜡烛的蓝色火焰和宇宙空间中存在C2，但现在对基本性质都也不甚清楚。C2此前被认为仅在极端条件（比如加热至3500摄氏度以上的碳蒸汽）下才能产生，因此一直在高能态下生成和研究C2。例如，通过对石墨进行电弧放电和激光照射等，可以人工生成C2，但这样生成的C2为“双键（单重态碳烯）”或“三键（三重态双自由基）”（图1）。不过，2012年以色列的研究团队利用高精度量子化学计算法提出，C2在基态中具有“四键（单重态双自由基）性”。也就是说，实验化学家与理论化学家的观点完全相反。

图1：实验化学家和理论化学家关于C2的结合始终持对立观点

研究内容

联合研究团队认为，实验化学家与理论化学家之间出现的巨大差异可能是因为实验条件（高能态）与理论条件（基态）不同导致的。因此，本次研究开发了在室温（或者更低的温度）下生成C2的方法。最终，利用超价碘的“超级”解吸能力的分子设计，全球首次在常温常压下成功地化学合成了C2。

此外，该研究团队还通过多种捕捉实验等，认真调查了在常温常压下产生的C2的性质，首次通过实验证明了“单重态双自由基（包括电荷转移键在内的四重键性质）”。这个结果完美再现了理论化学家的预测，结束了与实验化学家之间长期持续的争论。

由于这种双自由基性质，C2会立即被空气中的氧气和杂质捕获并失活。因此，该研究团队试着在惰性气体（氩）氛围及无溶剂和常温常压条件下生成C2，发现会散发烟雾并生成黑色固体。研究团队详细调查了黑色固体，利用MALDI-MS从固体的甲苯提取液中观测到了对应C60的分子离子峰，此时未检测出C70以上的高阶富勒烯。

接下来，通过氧化处理去除了不溶于甲苯的黑色固体中的非晶碳部分，并利用拉曼光谱和高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）详细调查了去除非晶碳后的样本，观测到了“密密麻麻地挤满二维石墨烯片的石墨”以及“碳纳米管和碳纳米角”。这些结果首次证明，C2能在常温常压下成为纳米碳的来源。