碳材料的多样性与应用潜力始终是材料科学的重要研究方向。从金刚石、石墨到后来发现的富勒烯和石墨烯，新的碳同素异形体不断推动物理、化学与材料科学的发展。富勒烯和石墨烯的发现者分别获得1996年和2010年的诺贝尔奖，也从侧面印证了该领域的学术影响力。近年来，由sp2杂化碳原子构成的新型碳材料因独特的电学、光学与力学性质，量子材料、光电器件、能量存储等前沿方向显示出应用潜力。施瓦茨碳是一类具有三重周期性的三维共轭碳同素异形体，其结构由铺展在三重周期极小曲面上的sp2杂化碳原子组成。按对称性不同，施瓦茨碳可分为Primitive型、Gyroid型、Diamond型等。理论研究指出，这类多孔三维共轭碳结构在超级电容器、电池电极材料以及气体分离与储存等具有应用价值，但这类具有负曲率的三维共轭碳结构长期未能在实验中实现。作为施瓦茨碳家族中最具代表性的结构之一，施瓦茨碳P192由六元环和八元环组成，其负曲率区域为构建三维共轭网络提供了关键结构基础。然而，负曲率管状结构往往伴随很高的环张力，分子构型高度扭曲，使传统有机合成方法难以胜任，因此该结构长期以来一直未被合成得到。王朝晖团队提出新的合成策略，突破了上述难点。研究人员以廉价易得的原料为起点，借助高选择性的偶联反应，高效构建出高度扭曲的双重大环前体；通过“预制”高张力前体化合物，为后续高张力化学键的构建奠定基础。团队深入精确控制化学键的连接顺序，首次实现了这类高张力结构的构建，成功合成了施瓦茨碳P192的半管状芳香片段。这一成果在多个层面具有意义：在基础研究上，证明了理论预测的负曲率三维共轭碳结构可通过精确的有机合成路径获得，为曲面共轭碳材料的合成提供了新思路；应用上，这类新型碳材料未来有望服务于能源存储、环境治理与电子器件等方向；学科发展上，该工作展示了现代有机合成化学构筑复杂高张力结构上的能力。有关研究成果以“Schwarzite P192的半管状芳香片段：两个嵌入八边形的保守结构基序”为题，近日发表于国际顶级学术期刊《美国化学会志》，并被选为杂志封面。清华大学化学系2022级博士生王明炜为论文第一作者，王朝晖教授为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金委原创探索计划项目资助。
这项工作展示了我国科研团队在负曲率三维共轭碳结构合成上的关键进展，也为从理论设想到实验实现提供了可借鉴的路径；随着对应的结构片段的获得，施瓦茨碳体系的继续构筑与性质研究有望加速推进，并为其在能源与器件等领域的应用探索打下基础。持续支持基础研究与原创探索，将有助于推动新材料领域的持续突破。