石墨烯作为由sp2碳原子构成的六边形平面网络结构，在材料科学领域获得了极其广泛的关注，并将材料的性质用途推向了一个新的发展阶段。但是，人们在制备和加工石墨烯时，往往不可能避免地会在其晶格中引入结构性的缺陷，而正是这些缺陷的出现往往会带来一些意料之外的材料性质的变化。通常来说，石墨烯中的缺陷可分为两大类：1. 本征缺陷，其中包括零维的点缺陷（图1a，Stone–Wales defect），一维的原子位错（图1b，dislocation）和二维的晶界（图1c，grain boundary）；2. 外在缺陷，如引入外来（杂）原子到原始晶格中。其中，石墨烯的本征缺陷近年来获得了广泛的关注，通过实验和理论计算，发现缺陷的引入会引起材料电子结构的较大扰动，从而影响到材料的宏观性质。但遗憾的是，这些缺陷尚还不能在石墨烯等二维材料中被精准调控。因此想要全面充分地理解缺陷和性质之间的相互关联，精准合成的具有缺陷结构的纳米石墨烯分子为此提供了一种较好的解决手段。
图 1. (a) 点缺陷: Stone–Wales defect，(b) 原子位错结构（dislocation），(c) (5, 0) | (3, 3) class II 晶界。
理论计算表明，在石墨烯的缺陷结构中，相邻的5-7缺陷结构（也就是我们熟知的奥甘菊环）能热力学稳定的存在，且具有较低的形成能，同时对体系的电子结构造成较大的影响。鉴于此，香港大学刘俊治教授及其博士生费乙洋等人对精准合成具有5-7缺陷结构的稠环芳烃分子进行了系统性的评述工作（图2）。全文可主要分为两大类，一是早期的相关合成工作，二是近五年来相关的合成以及表征工作。主要依据是，早期合成具有5-7缺陷单元的分子目的在于研究其毒理作用；而近些年由于合成以及表征技术的飞速发展，人们更加关注5-7缺陷结构对纳米石墨烯分子光、电、磁等性质的影响。但受限于合成的挑战，未来仍需研究者们继续探索出高效的合成方法和巧妙的设计策略去构建更多的、新颖的含5-7缺陷单元的大π体系，如pentaheptite 和 hackelite的片段，以及具有连续缺陷结构的石墨烯纳米带，然后进一步充分探讨它们的物化性质与结构特征之间的关联。本文作者在香港大学的课题组也在朝着这个方向持续努力中。
图2. 近年合成的含5-7缺陷单元的代表性纳米石墨烯分子。
论文信息：
Synthesis of Defective Nanographenes Containing Joined Pentagons and Heptagons
Yiyang Fei and Junzhi Liu*
Advanced Science
DOI: 10.1002/advs.202201000
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