碳材料的多样性和应用潜力一直是材料科学的重要研究方向；从金刚石、石墨到富勒烯、石墨烯，碳同素异形体的每一次重要发现都带动了物理、化学与材料科学的进步。富勒烯与石墨烯的发现者分别获得1996年和2010年诺贝尔奖，也从侧面表明了此领域的学术影响力。近年来，由sp2杂化碳原子构成的新型碳材料因其突出的电学、光学与力学特性，量子材料、光电器件和能量存储等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，其结构可理解为sp2杂化碳原子铺展在三重周期极小曲面上形成的网络。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、电池电极以及气体分离与储存各上可能具有重要价值，但具有负曲率的三维共轭碳结构长期未能实验中实现。作为施瓦茨碳家族中具有代表性的结构之一，施瓦茨碳P192由六元环和八元环组成，其负曲率区域是构建三维共轭网络的关键结构基础。然而，负曲率管状结构通常伴随很高的环张力，分子构型高度扭曲，使传统有机合成路径难以奏效，因此该结构长期处于“理论可行、实验难达”的状态。王朝晖团队提出新的合成策略，突破了这一难题。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，并通过“预制”高张力前体的方式，为后续关键高张力化学键的形成奠定基础。团队继续精确控制成键的连接顺序，首次实现此类高张力结构的可控构建，成功合成了施瓦茨碳P192的半管状芳香片段。该成果在基础研究和应用前景上均具有意义：一上，它表明理论预测的负曲率三维共轭碳结构可以通过精准的有机合成实现，为曲面共轭碳材料的合成提供了新思路；另一方面，这类新型碳材料有望能源存储、环境治理与电子器件等领域拓展应用空间。同时，这项工作也展示了现代有机合成在构筑复杂高张力分子结构上的能力。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。
从石墨烯到施瓦茨碳，人类对碳材料的探索持续拓展对物质结构与性质的理解。清华大学这项进展为对应的结构的实验合成提供了关键示范，也为后续研究打开了新的空间。在科技竞争日益激烈的背景下，提升基础研究能力、推动原创成果产出仍是科技创新的重要支撑。随着更多新型碳材料逐步走向可规模化制备与应用落地，材料领域也可能迎来新的技术突破与产业机会。