近日，国家纳米科学中心任金东课题组在氮杂环卡宾表面共价聚合方面取得新进展。相关研究成果以On-surface synthesis of ballbot-type N-heterocyclic carbene polymers为题，在线发表于Nature Chemistry (Nature Chemistry-22010153; DOI : 10.1038/s41557-023-01310-1)。
氮杂环卡宾在提供高催化活性、抗氧化和热稳定性的同时，还展现出优异的界面电子转移能力和表面扩散能力。其分子表面自组装可有效调控材料表界面的物理化学性质，发展基于外场调控的可控自组装新技术和新方法，实现组装结构和表界面电荷转移的精确控制，是光电探测器、能源和催化等领域中的核心技术问题。前期任金东课题组通过精准调控分子中官能团空间构型，实现了卡宾表面分子构象的可逆翻转和可控自组装(Angew. Chem. Int. Ed., 2022, 61, e202115104 )。
在上述工作基础上，卡宾功能化研究亟需合成其表面聚合物体系来拓展催化功能，如多位点催化剂协同效果。然而，基于液相法合成的卡宾聚合物在向表面沉积过程中，高的热蒸发温度易使聚合物在坩埚中提前碳化；而基于表面在位化学的方法，由于卡宾在表面吸附中呈现中间高两边低的空间结构，位阻效应阻碍了相邻分子间新共价键的有效成键，因此液相法和表面在位化学方法在合成卡宾聚合物方面都遇到非常大的挑战性。近期，课题组在卡宾分子单体研究基础上，基于扫描探针显微技术，探索并优化不同表面在位化学方法，克服空间位阻效应和表面分子热力学和动力学平衡等难题，首次在表面上实现了“Ballbot”型吸附的一维共价分子链的精准构筑和物性调控。
图1. Ballbot-type卡宾分子链。
进一步利用表面限域合成法，成功调控了卡宾一维分子链的表面排列。利用nc-AFM，XPS和DFT计算等方法，在原子水平上对卡宾一维分子链的空间几何构象和电子态等物化性能进行了高精度表征和调控，获得了卡宾在共价连接后官能团空间构型变化对界面电子转移的影响。
图2. Au（111）表面的卡宾聚合。
该工作为构筑基于直立分子的表面功能微结构提供了新思路，为未来分子电子器件、分子电路设计和光电催化等领域的实际应用开辟了新的途径。
国家纳米科学中心为本工作第一单位，任金东研究员为论文第一作者，中国科学院物理研究所高鸿钧院士，德国明斯特大学Harry M？nig教授、Nikos L. Doltsinis教授、 Harald Fuchs院士、 Frank Glorius教授为本文的通讯作者。国家纳米科学中心的戴庆研究员，中国科学院物理研究所黄立老师等提供了大力支持。上述成果得到了国家自然科学基金和中国科学院战略性先导科技专项等项目的资助。
