党的二十大以来，党中央高度重视前沿科技创新，提出要加快实现高水平科技自立自强，布局一批面向未来的战略性新兴领域与技术。在这一战略指引下，我国科研团队在分子碳材料研究领域取得了突破性进展：利用扫描隧道显微镜（STM）的原子级操纵能力，在固体表面成功合成了一系列全新分子碳结构。这一成果标志着我国在分子碳材料原子构筑与表面化学反应调控领域迈出了关键一步，为未来碳基纳米器件、量子材料和能源催化等前沿应用开辟了全新道路。

物质世界的基本构筑单元是原子和分子。过去几十年，科学家们借助扫描隧道显微镜，不仅能够“看见”单个原子，还能以极高精度操控其位置。然而，将这一“原子之笔”应用于相对复杂碳结构的精准构筑，长期以来是国际学界的挑战。碳元素因其独特的杂化方式，可以形成丰富的碳同素异形体，从富勒烯、碳纳米管到石墨烯，构筑了现代材料科学的重要基石。但传统的化学合成往往难以实现原子级精准控制，限制了新型分子碳结构如环型碳的探索。

同济大学许维教授团队创新性地结合STM原子操纵技术与表面化学反应机理，实现了在固体表面新型碳分子的精准构筑。“这就好比在一个平整的纳米舞台上，我们用STM的探针当作笔尖，逐步的操纵单个的原子和分子，可控的断裂和生成化学键。”许维教授介绍道，“这种方法不仅能合成常规化学方法难以获得的碳结构，还能实时观测其生成过程。”

在这一突破性的研究过程中，团队在绝缘衬底上实现了多种新型分子碳的可控合成。例如，设计特定的前体分子，利用STM探针的操纵能力，实现选择性的断裂和生成化学键，构筑了此前理论上预言、但未在实验室实现过的表面合成环型碳C10和C14。在以上实验中，STM探针犹如笔尖，按照实验设想“描绘”碳原子的排布形式，从而实现新型环型碳的合成。研究人员继续挑战极限，合成了一系列新型分子碳如环型碳C12、C20，以及目前最小的环型碳C6。这些成果不仅展示了STM在分子合成领域的巨大潜力，也为碳材料研究提供了一种全新的思路：由原子出发，以“点到点”的方式描绘出宏观可用的分子结构。

碳材料因其优异的电学、热学与力学性能，早已成为电子器件、能源存储与先进制造的核心材料。此次我国科研人员在原子尺度合成的新型碳结构，将为多个领域带来深远影响。在量子计算与自旋电子学方面，含缺陷或边界态的碳结构有望成为理想的量子比特载体，为发展国产量子芯片提供全新方向；在能源催化领域，具备特殊活性位点的新型碳环分子能够显著提升电催化效率，为氢能、二氧化碳还原等绿色能源转化带来突破；在高端传感与纳米器件中，原子级可控的碳带材料则可实现前所未有的灵敏度与可靠性。

“这项成果的意义，不仅在于合成了几种新分子，更重要的是建立了一套可扩展的‘原子级制备方法学’。”中国计量测试学会秘书长马爱文评价道，“它为碳材料研究打开了新窗口，有可能引领未来十年的材料创新潮流。”

正如人类曾以火种点亮文明，以蒸汽机开启工业革命，如今我们正站在“原子级制造”新时代的门槛上。新型分子碳材料的合成，正是我国科研人员在这一领域迈出的关键一步。这一成果的诞生，不仅展现了我国在前沿基础研究上的实力与创造力，更彰显了我国建设世界科技强国的坚定步伐。随着研究的不断深入，我们有理由相信，未来的碳材料将在能源、信息、医疗、国防等领域释放更为强大的力量，成为支撑新一轮科技革命与产业变革的重要基石。

在原子尺度上书写未来蓝图，科学的“原子之笔”正在描绘出属于中国、属于全人类的新“碳”景。

（本文采写得到中国计量测试学会支持）

通讯作者信息：

许维，课题组负责人，同济大学长聘特聘教授，材料科学与工程学院院长。2008年在丹麦奥胡斯大学物理系获博士学位，随后在美国宾夕法尼亚州立大学物理系从事博士后研究。2009年受聘为同济大学教授到材料科学与工程学院工作，2012年受聘上海特聘专家，2016年获基金委优青，2021年获国家杰青，2022年获教育部自然科学二等奖。其领导的团队主要利用超高真空扫描探针显微镜（UHV-STM/AFM）结合密度泛函理论（DFT）计算开展表面物理化学前沿基础研究。在表面分子组装、表面分子反应、表面精准合成等方向进行了系统和深入的探索，取得了多项创新性成果。已在本领域知名权威杂志上发表学术论文100余篇，包括Nature, Nat. Chem., Nat. Synth., Natl. Sci. Rev., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., ACS Nano 30余篇，论文共计被引用>3400次。