中国科学家合成微米级单原子直径铜链：Science 8/21、4000+ 铜原子连续、'绝缘鞘 + 导电中间层 + 反铁磁核'三明治结构

一维金属线这件事的「不可能三角」被中国团队踢开了一个角。8 月 20 日在线发表于《Science》(Vol. 393, Issue 6813, pp. 826–830, DOI: 10.1126/science.aeg0028),北京高压科学研究中心李阔研究员带领的团队,首次把「单原子直径的金属线」合成长度推到了微米级——单链超过 1 微米,连续排列 4000+ 个铜原子,比此前国际报道的最长单金属原子链(SMAC)长出两个数量级以上。

怎么做到的:高压固相拓扑聚合

过去几十年,SMAC 一直困在一个三难困境里:要真空、要稳定、要长,三者只能挑两个。溶液法合成的 SMAC 大多不到 10 个原子,少数 Ni 链到 28 个就到顶,再长就散架。李阔团队的解法是一句话:先压出来,再锁住。

前驱体是 β-酞菁铜(β-CuPc),这是酞菁蓝颜料的主要晶型——中央铜离子沿分子堆叠方向呈周期性排列,外围是 18π 电子不饱和芳香环。用金刚石对顶砧把单晶压到约 0.9 GPa 时,β-CuPc 发生结构相变,分子间滑移角从 45.5° 降到 28.6°,堆叠更致密;继续加压到 21.5 GPa,分子外围的芳香环相互聚合;再到 25.0 GPa / 533 K 保温 12 小时,饱和的 sp³ 杂化碳骨架在铜原子外围结成一层致密保护鞘,把高压下排列整齐的铜链「冻结」到常压环境。

为了突破金刚石对顶砧只能做微量样品的限制,团队用 Paris-Edinburgh 压机在约 40 GPa 下做宏量制备,得到最大尺寸约 940 × 250 × 50 μm³ 的单晶。X 射线衍射、选区电子衍射、HAADF-STEM 联合确认,链内 Cu-Cu 周期 2.57 Å,整链排列高度有序。

酸辅助超声剥离策略在 3% 三氟乙酸里把单链从晶格里「拽出来」:剥离单链长度超过 1 μm,对应 4000+ 个连续铜原子。即使在 TFA 中超声数小时、长时间浸泡,链结构依然完整——这是 sp³ 碳鞘的功劳。

「三明治结构」与反常电学

让人意外的不是链长,是物性。密度泛函理论计算与实测给出的图像是:相邻铜离子压缩到 2.57 Å 仍未形成显著 Cu-Cu 化学键,体系在纳米线内核构筑出独特的一维反铁磁链结构——居里-外斯温度 θ_CW = -34.2 K,SQUID 测磁化率确认。

电学更有意思。沿链方向电导率实测 5.5×10⁻³ S/m(受晶界限制),DFT 预测理想无缺陷结构可达 2.5×10⁷ S/m;垂直链方向仅 1.2×10⁴ S/m,各向异性超过三个数量级。关键是导电通道不是 Cu-d 电子,而是次外层碳骨架的 p 电子——强致密压缩让沿链方向的 p 轨道相互重叠,构成连续一维电荷传输通道。这套图像被理论家总结为「绝缘鞘 + 导电中间层 + 反铁磁核」三明治结构。

普适性:不只是铜

研究团队测试了 CoPc、NiPc、ZnPc,以及无金属的 H₂Pc——所有前驱体经高压处理后都生成了结构相近的碳包覆一维聚合结构。这意味着这个策略可以推广到钴、镍、锌等多种金属,甚至可以构造混合金属原子链和一维异质结构,为分子导线、自旋电子器件、单电子晶体管打开实验平台。

这件事为什么值得关注

第一,它解决了一维凝聚态物理长期缺乏「够长、够稳、够大样品」的卡脖子问题。Peierls 相变、Tomonaga-Luttinger 液体、一维磁性这些经典理论长期苦于没有合适实验样品,现在有了。

第二,它是真正「自下而上」的纳米电路候选。硅基制程逼近物理极限,继续往下走就是 1D 极限——单原子直径的金属线是这条路线的物质基础。

第三,毛河光院士的评价点出了远景:「原子尺度的超细金属线有望为下一代纳米电路、柔性穿戴电子器件等提供全新材料选项。」

研究由北京高压科学研究中心联合南开大学、北京大学、华南理工大学完成,博士生张杰为第一作者,李阔为通讯作者。工作受国家重点研发计划、国家自然科学基金资助,得到极端条件用户装置、上海同步辐射光源 BL17UM/BL14W1 线站、日本 SPring-8 BL10XU 线站支持。

一维金属线,从此不是「画在论文里的图」,是「能剥离、能测、能阵列化的实物」。

参考:Science 8/20 在线(DOI: 10.1126/science.aeg0028)、新华社 8/21 通稿、央视新闻、北京高压科学研究中心公众号论文全文、China.com.cn、毛河光院士点评、《Science》原刊 Vol. 393, Issue 6813, pp. 826–830