一根金屬線究竟可以做到多細？當金屬線的橫截面縮減至單個原子尺度，物質會展現出哪些前所未有的物理特性？長久以來，單金屬原子鏈是低維材料領域追逐的研究目標，被稱作“理論上最細的金屬線”。但受限於結構不穩定性，長尺寸樣品制備始終是橫亙在全球科研人員面前的一道難關。

北京高壓科學研究中心研究員李闊團隊另辟蹊徑，依靠高壓固相拓扑聚合全新策略，成功合成微米尺度、結構穩定的單金屬原子鏈，實現毫克級批量制備，將單根原子鏈的長度提升兩個數量級，為極限尺寸一維材料的基礎研究與技術應用打開了全新窗口。相關成果近日發表於國際學術期刊《科學》。科技日報記者日前採訪了項目團隊，解讀這項前沿材料技術突破背后的科學原理。

材料逼近物理極限

通俗來講，單金屬原子鏈就是金屬原子首尾依次串聯，在空間排布形成的一維納米結構。

“我們可以把它理解成全世界最細的金屬線，它的直徑隻有一個原子大小，長度卻可以延伸至數百納米甚至微米級別。”李闊介紹，從物質維度演化視角來看，它代表物質形態壓縮的終極邊界：從普通三維金屬塊體，到二維薄膜，再到納米線，最終壓縮成一維原子鏈，所有原子被約束在同一條直線上，橫向不再具備可供電子自由運動的晶格空間。換言之，電子只能在鏈的方向上前后移動，而在垂直於鏈的方向上完全失去了活動余地。

為什麼科學家要耗費巨大精力，去合成這樣一種逼近物理極限的材料？李闊介紹，核心原因就在於，一維極限會催生出三維塊體材料完全不具備的新奇物理效應。在普通三維金屬當中，電子擁有充足運動空間，很多微觀相互作用可以被簡化處理﹔當物質壓縮到二維，在二維材料中，已經誕生了狄拉克錐這類獨特電子行為﹔再壓縮到一維原子鏈，電子只能沿著鏈方向運動，電子之間的關聯效應被顯著放大。理論早已預言，一維體系會出現晶格自發畸變、電荷自旋相互分離等特殊現象，可過去的理論推演缺少足夠長、足夠純淨、足夠穩定的實物樣品來完成實驗驗証。

單金屬原子鏈代表著導電通道的物理極限，是探索原子尺度互聯邊界的絕佳模型。此外，在自旋電子學、非線性光學、電催化領域，具有強電子關聯及高比表面的原子鏈，也具備非常大的應用潛力。磁性原子鏈可以成為理想的自旋鏈，用於量子信息研究﹔配位高度不飽和的原子位點，有望展現優異的催化活性。

理想前景十分誘人，但現實制備卻舉步維艱。其最大的制備難點來自一維結構與生俱來的熱力學不穩定性。“理想單金屬原子鏈的原子全部暴露在表面，配位嚴重不足，表面能極高，本質屬於亞穩態結構。”李闊介紹，熱擾動、電子束照射、空氣環境都很容易讓原子鏈斷裂，團聚成顆粒。它無法像普通金屬晶體一樣在常規環境中安穩存在，必須依靠特殊手段把一維構型牢牢鎖住。

過去，全球科學界主要採用兩條技術路線。第一種是物理制備手段，依靠超高真空環境，機械拉扯金屬接觸點，或者借助晶體表面台階溝槽做原子排列模板。第二種是有機配體液相合成，依靠有機分子把金屬原子夾持排布起來。然而，物理方法可以獲得理想樣品，卻難以脫離特殊環境﹔液相法可以得到獨立產物，但鏈長十分有限。

新策略突破傳統局限

為了規避傳統合成路線的短板，研究團隊把目光投向極端高壓條件，提出了高壓固相拓扑聚合全新策略。談及這套與眾不同的技術思路，李闊解釋，整套方案的核心邏輯是跳出液相合成框架，直接以壓力作為驅動力，在固體內部同步完成兩件事：壓縮金屬原子之間的距離，同時原位生成保護碳骨架。

團隊選取擁有金屬離子核心的環狀不飽和分子作為起始原料。這類前驅晶體內部的分子天然呈柱狀堆疊排布。當金剛石對頂砧壓機施加巨大外部壓力時，堆疊在一起的平面配合物分子被不斷擠壓，中心金屬原子間距被物理壓縮縮短。當壓力抵達臨界閾值，分子外圍芳香環發生拓扑聚合化學反應。換句話說，分子外圈的芳香環就像“卡扣”，它們先讓分子排隊，然后發生反應，互相扣起來，最后拼成一個很規整的大分子結構，就地生成一層致密飽和碳骨架。這層碳骨架通過配位鍵緊緊綁定中心金屬原子，把已經壓縮到位的金屬原子排布狀態牢牢鎖定。

“哪怕我們把壓力卸掉，結構也不會回彈。原子鏈被包裹保護起來，就算放到強酸環境中、經受超聲處理，依舊能夠維持完整結構。”團隊成員、北京高壓科學研究中心研究員鄭海燕介紹。

完成金剛石對頂砧壓機中的機理驗証之后，團隊進一步攻關放大合成工藝，實現了毫克量級樣品批量制備，單晶產物最大尺寸接近毫米級別。為表征單鏈結構，科研人員又開發了酸輔助超聲剝離技術，將由飽和碳骨架包裹的單根原子鏈從晶格中剝離出來。在透射電鏡觀測下，單根原子鏈長度突破1微米，能夠串聯4000顆以上銅原子，相比以往國際報道的樣品，長度提升兩個數量級。

為什麼這條路線可以做到毫克級制備？鄭海燕解釋，金剛石對頂砧壓機主要用來厘清反應機理，確認反應的壓力窗口與產物結構﹔后續放大制備依靠擁有大腔體的巴黎愛丁堡壓機完成，這是一種用於產生高壓環境的科學儀器。結果表明，單次合成樣品可達毫克級，不必局限於微型高壓腔體，因此能夠拿到可供多種實驗表征的足量樣品。這套“高壓壓縮+原位聚合鎖構”的新思路，突破了長久以來“長尺寸”與“高穩定性”不能兼得的困境。

未來創新潛力巨大

微米尺度、可分離、毫克量級的單金屬原子鏈的成功合成，不僅意味著多了一種新材料，更意味著理論預測有了可實驗驗証的實物載體。

此前，超長單金屬原子鏈的電磁性質大多只能依靠計算機推演，現在有了實實在在的樣品，科研人員可以開展系統性實驗測量，更好理解一維世界量子行為。

在合成方法學層面，這套方法成功搭建起一套可設計的一維材料研發平台。團隊已將酞菁鈷、酞菁鎳、酞菁鋅乃至無金屬酞菁，轉化為類似的碳包覆一維結構。也就是說，只要前驅材料擁有柱狀堆積平面分子結構，這套“高壓壓縮、骨架鎖定”的技術路徑就具備可行性。展望后續研究方向，如果選用混合金屬酞菁作為原料，還可以定向制備混合金屬原子鏈，或是在單鏈內部構建異質金屬結，等同於在原子鏈內部實現摻雜、構筑器件結單元，為豐富一維材料庫提供一套通用工具。

面向未來技術應用，李闊說，當下距離產業化落地還有較長的路，但材料本身已經給出清晰的結構基礎。短期來看，原子級有序的一維長鏈可以作為納米電子互聯導線候選對象，也能成為自旋電子器件中的磁性功能單元。優異的化學穩定性，預示它有機會在苛刻條件的催化場景發揮作用。長遠來看，伴隨大腔體高壓設備的技術迭代，制備成本持續下行，這類新型一維功能材料規模化發展將具備現實基礎，有望在微納器件、量子技術、催化等領域釋放創新潛力。（記者 華凌）