近日，中國科學院蘭州化學物理研究所研究員劉釗和合作者首次在 Pt（111）金屬表面上系統揭示了 C?? 熱轉化過程中由分子島向富勒烯二聚體再到石墨烯量子點（GQDs）的演化規律。日前，相關論文發表于《德國應用化學》（Angewandte Chemie）（IF 16.9）。

圖 | 劉釗（劉釗）

通過非接觸式原子力顯微鏡（nc-AFM）和掃描隧道顯微鏡（STM），研究團隊觀察到：C?? 在 800K 時從分子島中脫出，形成低遷移性的二聚體；在 900K 進一步加熱后，二聚體打開形成 GQDs，最終長大成石墨烯片。這一過程中，C?? 二聚體作為關鍵中間態被直接通過 multipass 技術成像并結構解析，打破了以往僅憑間接推測的局限。結合第一性原理計算，研究明確了二聚體形成的熱力學優勢和動力學機制，發現其在島邊緣具有更高的形成傾向。

此外，研究發現 C?? 二聚體具有良好的熱穩定性與界面束縛能力，并在光電材料與潤滑領域具有很大應用潛力。該工作不僅提出了一種高效可控合成高質量石墨烯材料的新路徑，也豐富了富勒烯熱轉化與碳基納米材料潤滑的理論體系。

在未來若干年內，該研究成果具有多項潛在應用。首先，研究中穩定獲得的富勒烯二聚體可作為新型納米潤滑添加劑，因其兼具適度流動性與表面穩定性，適用于高精度機械或微機電系統的潤滑需求。相比傳統單體 C?? 或納米金剛石，二聚體在潤滑性與分散性之間實現更優平衡。其次，其熱誘導轉化路徑實現了尺寸和形貌可控的石墨烯量子點（GQDs）合成，GQDs 具備良好的導電性、光致發光性能和量子限域效應，可在太陽能電池、發光器件、生物成像及量子計算等領域發揮關鍵作用。此外，該研究提出的從 C?? 出發的底層合成策略，適用于構建高純度、結構可設計的碳基功能材料，為發展柔性電子器件、分子電子學和納米催化體系提供了理論支持與技術基礎。

（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.20）

據介紹，本研究圍繞富勒烯 C?? 在金屬表面熱誘導行為展開，源于對其轉化路徑不明確、缺乏可控中間態結構的科學挑戰。已有研究表明 C?? 在強相互作用金屬如 Ni（111）表面易脫附而非聚合，導致結構可控性差，制約其在納米材料制備中的應用。因此，研究團隊設定課題旨在明確 C?? 從單體→二聚體→石墨烯量子點（GQDs）→石墨烯的演化規律，并力圖直接捕捉到 C?? 二聚體這一關鍵中間態。

在超高真空實驗系統與樣品制備上，本研究采用非接觸原子力顯微鏡與掃描隧道顯微鏡在超高真空條件下進行實驗，確保表面干凈無污染。首先是 Pt（111）基底的制備，包括多輪氬離子濺射與高溫退火，獲得原子平整的臺階表面；隨后通過熱蒸發方式將 C?? 分子均勻沉積于其表面，控制覆蓋度在 0.13 單層左右，為后續觀測提供合適的初始狀態。

（1）針對不同溫度下的熱退火實驗設計，研究團隊系統性地設置了三個關鍵溫度：

500K：觀察到 C?? 島結構保持基本穩定，未形成新的結構單元；800K：首次在 Pt（111）表面上清晰觀測到分布式 C?? 二聚體，既未碎裂成石墨烯也未聚合成網絡，展現出低遷移、高穩定特征。900K：觀察到二聚體進一步開環，形成石墨烯量子點，并最終演化為高質量的石墨烯片層。

（2）在成像與結構確認上，在 800K 退火樣品上，研究團隊借助多通道 nc-AFM 成像技術，對單個粒子進行掃描，通過改變探針高度捕捉到二聚體內部結構細節。掃描圖像顯示其直徑約 2nm，進一步靠近后可分辨出兩個典型 C?? 結構單元，確認為“啞鈴狀”二聚體。此外，STM 成像也進一步輔助確認其為真正的 C?? 二聚體，而非其他碳團簇或單體殘留。

（3）在第一性原理計算與機理分析上，研究團隊利用密度泛函理論對 C?? 在不同狀態下的相對能量、穩定性與轉化勢壘進行計算。結果表明：[2+2] 環加成形成的 C?? 二聚體在熱力學上優于低配位 C?? 邊緣單體，并計算出二聚體形成總能壘僅約 1.08eV，在 800K 下可自然發生。這一理論支持實驗中所觀測現象，并推導出二聚體形成的兩種可能機制：一是邊緣 C?? 與游離單體碰撞形成，二是兩個邊緣 C?? 直接聚合后脫離島體。

（4）在現象總結與潛在應用展望上，研究團隊在論文中指出，本次成果成功捕捉并驗證了 C?? 二聚體作為石墨烯量子點前驅體的中間態角色，揭示了 C?? 熱轉化的一條完整路徑。同時提出這些二聚體和 GQDs 在光電器件與納米潤滑中的潛在應用價值，尤其在結構可控、界面能低等方面具有優勢。

據了解，非接觸式超高真空原子力顯微鏡（nc-AFM）作為當今最前沿的表面科學研究工具之一，其實驗工作的開展往往伴隨著冗長而細致的準備過程。這些準備工作不僅是基礎，更是整個實驗能否順利進行的關鍵。本次工作正是建立在這樣一系列高度精密且嚴苛的前期操作之上。

首先是探針的制備，這一步看似微不足道，實則至關重要。探針的固定方式、清潔程度以及共振頻率的選擇直接決定了后續掃描成像的分辨率與穩定性。品質因子（Q 值）過低的探針可能導致信號衰減或噪聲增大，從而使成像效果大打折扣，甚至完全失效。

緊接著是實驗基底 Pt（111）的制備。高質量的原子級平整金屬基底是進行分子吸附與表面結構演化研究的前提。Pt（111）不僅需具備高度的原子平整性，還必須完全避免表面氧化或碳污染，這通常需要反復高溫退火與 Ar? 濺射處理，以及極其嚴格的真空環境控制。一絲疏忽都可能使得表面重構失敗，失去研究價值。

再之后是 C?? 分子的蒸鍍。這一步看似“簡單”的沉積過程，卻對時間、溫度、沉積速率等條件有極高要求。C?? 若沉積過多，會導致分子堆積而喪失移動性；若過少，則無法形成目標結構如分子島或二聚體，從而使研究目標落空。這一過程要求操研究團隊具備對分子束蒸發設備的熟練掌握與對實時監測信號的高度敏感。

當以上所有條件達成，研究才真正進入“起跑線”——即 nc-AFM 的成像階段。然而，即使進入這一步，仍需在室溫下精細調控反饋參數、優化掃描路徑、識別假信號與真實結構。

（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.20）

劉釗的博士導師（亦是本次論文的通訊作者）曾笑談：“你博士論文里那些精美的 nc-AFM 圖像，可能都來自四年中短短幾周的‘奇跡時刻’。”這話雖帶玩笑，但卻揭示了 nc-AFM 研究的真實面貌——即便成果的“產出期”極短，也絕非偶然所得。它是建立在數年實驗技巧打磨、儀器調試、參數積累以及無數次失敗經驗之上的厚積薄發。沒有長時間的重復試驗、對每一個細節的極致要求與不斷優化，那幾周的“黃金期”也不過是空中樓閣。

總結而言，nc-AFM 研究的精髓不僅體現在高分辨率圖像的獲取，更在于對實驗過程極端細節的掌控能力。它是一場關于精度、耐心與經驗的馬拉松，而非短跑。真正的科研突破，往往不是一蹴而就的“靈光一現”，而是日復一日的堅守與積累下所迸發的厚積之力。這正是表面科學的魅力所在，也映照出實驗科學對“過程與細節”的極致追求。

總的來說，該研究為后續摩擦與潤滑領域提供了新方向。熱處理形成的 C?? 二聚體在 Pt（111）表面表現出良好的穩定性和適度的可移動性，兼具納米尺寸與化學惰性，適合作為潤滑添加劑使用。而進一步轉化形成的石墨烯量子點（GQDs）具有低界面能與優異的力學性能，有望用于探索量子摩擦現象。研究團隊指出，未來研究可聚焦于調控二聚體與 GQDs 的界面行為、摩擦響應機制及其在高負載、復雜環境下的潤滑性能等。

參考資料：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202505101

運營/排版：何晨龍