文|《中国科学报》记者刁雯蕙
“你看看它，是不是特别漂亮！10年了，我们终于做出了这个完美的分子。”在接受《中国科学报》采访时，南方科技大学化学系讲席教授夏海平拿着一张黑桃A的扑克牌，上面印着一个类似梅花形状的分子结构。巧合的是，这个分子结构与南科大化学系的系标十分相似。
夏海平团队做出的分子结构类似梅花
为了做出这个分子，夏海平带领团队奋斗了整整十年。这项研究成果近日在Nature上发表。他们首次将金属置于轮烯平面中心，制备了芳香性的“金属核轮烯”，填补了金属轮烯领域长达70余年的空白，拓展了轮烯化学、芳香化学、金属有机化学的边界。
美国化学会发布的《化学与工程新闻》对该成果的评价是：“该成果重新定义了金属杂芳香性，或将载入教科书。”
10年，终于把环“关上”了
在夏海平的办公桌上，放着一副特别的扑克牌。拿出黑桃7、8、9、10、J、Q、K、A八张牌，上面分别印着十多年来夏海平带领团队发明的由碳链与金属组成的分子骨架，这些碳链形成两片花瓣、三片花瓣，以至类似梅花形状的五瓣分子结构。夏海平团队在这些碳链骨架中放置一个金属原子，使基于这类分子结构的化合物性能更好。“就像一朵花想要持续生长、开放，就必须有花蕊提供养分。”
印有碳龙系列成果的扑克牌。刁雯蕙/摄
“十年前，我就想着要把这条碳链的头尾连起来形成一个闭环，以获得性能更优异的分子结构，也就是这副扑克牌中的黑桃A。但想要实现这个目标十分不易。”夏海平回忆道。
为什么得到这个结构这么难？因为它存在两大挑战：一是结构困境，小环轮烯（如苯）尺寸不足以在其中心放入金属，环够大的轮烯往往不是平面的；二是活化难题，轮烯本身缺少引导金属活化C–H键的功能基团，限制了后续的构建策略。另外，由于这项工作属于从0到1的原创研究，没有任何文献可以参照，夏海平团队只能在探索中前进。
转机发生在2023年年底。有一天，学生徐宾彬敲开夏海平办公室的门，激动地说：“夏老师，我终于把这个环‘关上’了，我有单晶结构证明！”
仔细听完学生的汇报后，夏海平在高兴之余并没有大喜过望，在他看来，一个完美的碳链闭环结构应该是匀称的、漂亮的大环结构。而学生做的这个结构，尽管是一个闭环，但其“花瓣”并不匀称，甚至有些“歪瓜裂枣”，与他预想的完美目标还有一定的距离。于是他鼓励学生乘胜追击，完美的“梅花分子”应该就在前头等着她！
经过几个月的努力，在徐宾彬第二次汇报后，他们终于得到了一个漂亮的、对称的有着类似“梅花”形状的环状轮烯结构——环的中间有一个类似“花蕊”的金属原子。他们将整个分子结构命名为“金属核轮烯”。
夏海平团队构筑的金属核轮烯。受访者供图
“这个过程中，因为太难，总是面临失败，很多学生做到后面就放弃了，选择了其他的研究方向。科学研究有时候就需要有甘坐冷板凳的毅力，对于一个重要的科学目标来说，它值得我们十年如一日地坚持。”夏海平说道。
刷新世界纪录，填补70年空白
轮烯是一类广泛存在的化学物质。1825年，著名科学家法拉第发现了第一个轮烯分子——苯，为芳香化学奠定了重要基础。1951年，科学家成功地将金属放在环戊二烯这一轮烯之外，形成夹心结构的二茂铁，为现代有机金属化学奠定了基础。以往，二茂铁这类分子只能把金属铁放在轮烯平面的上方或下方。过去70年来，尚未有科学家能够将金属引入到轮烯环的内部。
成功将金属置于轮烯环中心之后，夏海平团队立刻开始着手测试这一分子的性质，结果让团队大为惊喜。
金属核轮烯展现出了三大特点：一是强稳定性，其固体样品在空气中可以稳定到240摄氏度，其电化学循环伏安曲线可逆性堪比二茂铁；二是独特的光响应性能，具有聚集诱导发光的效应，利用普通紫外灯照射，可发出肉眼可见的红光；三是高效衍生化，轮烯环平面上可进行硝化、碘代、全氯代等经典芳烃反应，轴向配体也易被替换，有望成为二维、三维材料的全新构筑基元。
“目前所有的理论和实验证据表明，这个‘金属核轮烯’各种关键的芳香性指标都超过了苯。”夏海平介绍，以往碳原子最多只被三个芳香环共享，如石墨烯。金属核轮烯由于有金属的参与，除了大环有整体芳香性，其五个小环也具有芳香性。这种五个芳香环共享一个金属原子的结构（打破原有三环共享纪录）创造了新的世界纪录。
在给Nature投稿六周后送审，不到一个月的时间便收到了三位审稿人的意见，夏海平团队的工作得到了高度认可。
审稿人评价道，这一分子结构有望成为物质全新的构筑基元。在Nature同期发表的评论文章中提到，这项研究合成的新型金属有机化合物，以其独特的几何结构与电子特性，为催化和材料科学提供了新可能。
把研究做到极致
“做科研不要一开始就想着发文章或者赚大钱。应该先搞清楚本学科最重要、尚未解决的科学问题有哪些？选择其中一个，用别人没用过的方法去解决它，并把研究做到极致，其他的自然能水到渠成。”把科研做到极致的理念，贯穿了夏海平的整个科研生涯。
“我从小就喜欢化学。我父亲是一名医生，小时候去医院的时候，我就觉得消毒水的味道很好闻。”夏海平笑着说。1995年，夏海平在香港科技大学开始学习金属有机化学，正式与这一研究领域结缘。
“在厦门大学工作后，我就想知道，一个金属分子上最多可以构筑多少碳-金属键？其极限在哪里？围绕这个本学科最核心的科学问题去做深入的研究，一步步把研究做到极致。”他回忆道。
2009年，夏海平成功合成了第一个碳龙分子——金属杂戊搭炔，他称其为“7碳龙配合物”，这一成果2013年发表于《自然-化学》，并入选了当年“中国高等学校十大科技进展”。直到2016年，夏海平团队共合成了7到12个碳的系列碳龙配合物，并获得了2020年国家自然科学奖二等奖。随着对金属有机化学和芳香化学研究的持续深入，夏海平逐渐开创了具有中国标签的“碳龙化学（Carbolong Chemistry）”体系。现在，“碳龙化学”已被列入国际经典教科书《 March 高等有机化学 》中。
“对于外国人来说，可以把Carbolong理解为一条7~12个碳的长碳链。long也是中文中‘龙’的汉语拼音。我想这是对中国原创化学的最好注解，希望能在国际学术界留下一个‘中国标签’。”
夏海平团队受访者供图
如今，61岁的夏海平也将这种“做到极致”的研究理念传承给了自己的学生。“学生不在于有多聪明，关键是对科学要有追求，要有执行力和韧性。现在我国的年轻人慢慢开始有创新意识，工作也越来越有自己的特色，中国化学的未来是美好的，在国际化学坐标系中一定会刻下越来越多的中国印记。”
相关论文信息：
https://www.nature.com/articles/s41586-025-08841-2
文中图片除注明外，均为受访者提供
本文链接：http://www.gihot.com/news-8-4671-0.html用10年研究填补70年学术空白，他们在学界留下中国标签
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