碳链是由 sp 杂化碳原子组成的一维碳同素异形体。当碳链的性质不随其长度变化时，就将其称为碳炔（carbyne），曾经被认为是除了石墨和金刚石以外的“第三种碳”。理论研究表明，碳炔在力学、热学和电学性能上优于石墨烯和碳纳米管，因此具有重要的研究意义和价值。然而，由于 Peierls 畸变引起的不稳定性，碳炔的存在一直存在争议，限制了其实际应用的发展。

石磊副教授在维也纳大学Thomas Pichler 教授课题组采用高温真空热处理法，在双壁碳纳米管中成功制备了世界上最长的一维碳链，包含超过 6000 个碳原子，其性质不受长度影响，标志着碳炔的首次实验验证（Shi L., et al. Nature Materials, 2016, 15, 634–639）。此后，石磊副教授在中山大学实现了利用不同直径的单壁碳纳米管来制备性能可调的碳炔（Shi L., et al. Nano Letters, 2021, 21, 1096–1101）；首次合成同位素标记碳炔（Cui W., et al. Angewandte Chemie-International Edition, 2021, 60, 9897–9901）；提出了缺陷引导碳炔形成的机制（Cui W., et al. Advanced Functional Materials, 2022, 32, 2206491）。近期，石磊课题组受邀总结了碳链领域的研究进展（Cao H., et al. Chinese Chemical Letters, 2025, 36, 110466），并回顾了课题组在碳链研究领域的成果（Cui W., et al. Advances in Colloid and Interface Science, 2025, 342, 103519）。目前，在碳炔合成方面还有几个难题需要突破：一是以往在双壁碳纳米管中合成碳炔，由于方法的限制，无法扩展到单壁碳纳米管中合成碳炔；二是碳炔的产率还不够高。针对第一个难题，我们发展了限域转化法，讲芳烃分子在碳纳米管中转化为一维碳链，相关论文发表在ACS Nano（ACS Nano 2025, 19, 12146−12154）。针对第二个难题，课题组近期取得了研究进展。

此前，课题组提出了一种提高碳链生长产率的合成路线，即填充富勒烯分子到单壁碳纳米管中并转化为双壁碳纳米管，再在双壁碳纳米管的内外层引入缺陷，最后在高温下重构双壁碳纳米管将缺陷愈合，重构过程中多余出的碳原子最终生成了一维碳链，其产率比直接在单壁碳纳米管中生长的碳链产率高16.3倍（Feng Y., et al. Nano Research 2024, 17, 6274–6280）。

近期，课题组发现，缠绕在单壁碳纳米管外面的表面活性剂在高温下分解为无定形碳，能够提供额外的碳源用于单壁碳纳米管在高温下重构为双壁碳纳米管并在其内部形成碳链，从而增强了碳链的合成。研究团队探究了5种不同的表面活性剂溶液对碳链产率的影响，发现表面活性剂的分子结构差异影响碳链的生长，并在分子尺度分析了表面活性剂促进碳链生长的机理，最终实现了超高产率碳链的合成，其产率比直接在单壁碳纳米管中生长的碳链产率高约30倍。这项工作探索了内部碳源与外部碳源对碳链产率影响的协同作用，为改进碳纳米材料的合成方法提供了实验基础。

相关成果以“Engineering external and internal precursors to boost the synthesis of confined carbyne”为题发表在国际著名期刊Chemical Engineering Journal上（Chemical Engineering Journal, 2025, 513,163036）。本文第一作者为中山大学硕士研究生奉泱豪（我院23级硕士研究生），共同通讯作者为中山大学石磊、崔玮丽和上海科技大学胡瑗（电镜表征），杨国伟教授对本工作的完成给予了重要的指导，上海科技大学研究生张文迪、中山大学研究生唐鲲鹏、陈颖芝、曹会菊对本文亦有贡献。中山大学材料科学与工程学院为论文第一完成单位。该研究工作受到国家自然科学基金（52472059, 22401298, 22302123）和广东省基础与应用研究基金（2025A1515010254）的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.163036