(左起)本院化學所梁子輝博士後研究人員、王朝諺研究員、吳銘峻博士生

雙原子碳 (Free C2) 是自然界中比較不穩定的分子,一般僅能在燭光中藍色火焰或宇宙星際中才能觀察到它的存在。相較於穩定存在的雙原子分子如氧氣(O2)和氮氣(N2),科學家較無法掌握其化學和物理性質,並進行後續應用。本院化學研究所王朝諺研究員帶領的研究團隊在常溫下,成功合成穩定的單配位基(ligand)(註一)雙原子碳分子「R3P→C2」,成為全球首例,未來有望發展石墨烯、矽、鍺等半導體材料技術。最新研究已於11月30日登上國際期刊《自然-化學》(Nature Chemistry)。

配位基如同中心原子的衣服,可以使不可見、不穩定的分子現形。配位基越少,分子的性質越簡單乾淨,後續應用也更能排除其他因素。因此,為了要穩定中心原子,通常需要量身打造衣服。王朝諺研究員解釋,「過去研究幫雙原子碳穿的衣服比較多件,我們這次一件搞定」。

過往研究曾利用理論模擬演算雙原子碳的結構,並曾使用過二個以上的配位基以穩定雙原子碳,但合成出來的分子的化學和物理性質相對複雜。此次王朝諺研究團隊終於幫雙原子碳找到可以「單一」穩定交往的對象R3P。研究團隊利用專業化學技術成功合成常溫穩定的新分子R3P→C2,不僅闡釋了化學結構和電子組態的關係,也解開化學界一直以來各自表述雙原子碳化合物和雙原子碳性質的認知差異。

此外,研究團隊也分析新分子 R3P→C2 的結構,並與德國馬爾堡大學理論計算專家Gernot Frenking教授和中國南京工業大學的Lili Zhao教授跨國合作。採用先進的能量分解分析(Energy Decomposition Analysis, EDA)的計算技術,深入探討其結構特性。實驗證實,R3P→C2在 C2部分的兩個碳原子皆有意想不到的反應活性,此發現有助發展碳、矽、鍺等碳族(註二)之新型態化學反應,並應用於催化反應。未來此分子也可延伸發展新型化學品及石墨烯、矽、鍺等相關半導體材料開發。

本論文第一作者為本院化學所梁子輝博士後研究人員,研究團隊包括本院化學所吳銘峻博士生、通訊作者王朝諺研究員。經費來源為本院深耕計畫及科技部經費。
論文全文:〈Isolable dicarbon stabilized by a single phosphine ligand〉https://www.nature.com/articles/s41557-020-00579-w


(註一)配位基:化學名詞。可和中心原子(金屬或類金屬)產生鍵結的原子、分子或離子。單配位基指的是,僅一處與中心原子結合的原子、分子或離子。

(註二)碳族:第14族,包含碳(C)、矽(Si)、鍺(Ge)、錫(Sn)、鉛(Pb)、鈇(Fl)等化學元素。