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为解决理想卡宾（Carbyne）性质难以确定的问题，研究人员开展了类卡宾材料振动非谐性的研究。他们发现类卡宾材料振动非谐性与 C 模式频率有关，且存在普遍规律。这为表征材料、推断理想卡宾性质及完善理论模型提供了依据。
在神秘的材料世界里，有一种神奇的物质 —— 卡宾（Carbyne），它是由碳原子组成的无限长线性链，是碳的一维同素异形体。卡宾拥有许多令人惊叹的潜在特性，比如它的刚度、强度和热导率可能超越任何已知材料，这吸引了众多科研人员的目光，大量理论研究和实验探索不断展开。然而，理想卡宾的合成困难重重，经过数十年努力，块状卡宾至今仍未成功制备，这使得科研人员缺乏实验数据来验证理论计算结果，不同理论计算对卡宾性质的预测差异巨大，就像在黑暗中摸索，没有明确的方向。
在这样的困境下，柏林洪堡大学（Humboldt-Universit?t zu Berlin）、中山大学等机构的研究人员没有放弃，他们另辟蹊径，把目光投向了结构与卡宾相似的材料，如限制在碳纳米管内的类卡宾链和碳原子线。研究人员对限制在双壁碳纳米管内的孤立类卡宾链进行拉曼光谱（Raman spectroscopy）测量，一直测到 C 模式（纵向光学声子，对应类卡宾链沿链轴的键长交替（BLA）振荡）的第四阶（即 4C 模式），同时结合短碳纳米线的相关研究数据，展开了深入研究。
最终，研究人员发现了一个重大成果：类卡宾材料存在显著的振动非谐性，并且这种振动非谐性会随着 C 模式频率的降低而增强。他们还揭示出，振动非谐性与 BLA 振荡频率之间存在一种普遍的线性关系。这一发现意义非凡，它就像是一把钥匙，为我们打开了一扇认识类卡宾材料的新大门。首先，这种普遍关系可以作为一个重要指标，帮助科研人员通过拉曼光谱识别类卡宾材料；其次，能够借此推断理想卡宾的振动非谐性；再者，为理论学家完善相关模型提供了关键依据，让他们能更准确地预测卡宾及其相关材料的性质。这一研究成果发表在《Nature Communications》上，为该领域的发展注入了新的活力。
研究人员在研究过程中运用了多种关键技术方法。在样本制备方面，他们在高温高真空环境下，将类卡宾链生长在双壁碳纳米管内，然后把这些样本分散在薄玻璃盖玻片上。测量时，采用共焦拉曼光谱仪（如 Xplora Raman spectrometer）和针尖增强拉曼光谱（TERS）技术，通过这些技术获取类卡宾链的拉曼光谱信息。在数据处理和分析时，运用二阶振动微扰理论（VPT2）来模拟和量化振动非谐性。
研究结果
- 类卡宾链的拉曼光谱特征：研究人员测量了 16 条限制在双壁碳纳米管内的孤立类卡宾链的拉曼光谱，C 模式在 1786 - 1861 cm?1范围内。在多数链中检测到 C 模式的多个泛音，如 11 条链检测到 3 个泛音（至 4C 模式），5 条链检测到 2 个泛音（至 3C 模式）。C 模式及其泛音峰几乎呈完美的洛伦兹形状，这为准确测量频率提供了便利。
- 振动非谐性的量化与特征：通过对比实验拉曼光谱和基于纯谐势的假设光谱，研究人员发现类卡宾链存在明显的振动非谐性。随着泛音阶数增加，实验拉曼泛音与谐性预测之间的红移增大，如 4C 模式红移可达 120 cm?1。通过定义非谐红移Δv~n和相对非谐红移Δν~rel,n来量化非谐性，发现相对非谐红移随模式阶数强烈增加，4C 模式时可达 6.0 - 7.7%，且 C 模式频率越低，振动非谐性越大。
- 非谐性与结构的关系：由于 C 模式频率与 BLA 直接相关，较小的频率对应较小的 BLA，所以得出振动非谐性随 C 模式频率 / BLA 减小而增加的结论。这意味着电子在类卡宾链上分布越均匀，振动非谐性越高。
- 普遍规律的揭示：研究人员对比类卡宾链和短碳纳米线的振动非谐性，发现 BLA 振荡的振动非谐性遵循一个适用于两者的普遍规律，即非谐性χ随 BLA 振荡频率ωC呈线性变化，公式为χ(ωc)=b+a?ωc，其中a=?2.44±0.09[?10?5 cm?11] ，b=5.57±0.18[?10?2] ，R2=0.98 。
研究结论与讨论
研究人员通过精确测量类卡宾链的拉曼光谱，详细量化了其振动非谐性，发现了振动非谐性与 C 模式频率之间的重要关系，还揭示了类卡宾材料中 BLA 振荡频率与振动非谐性的普遍线性关系。这一普遍关系为类卡宾材料的实验表征提供了有力手段，能够推断理想卡宾的性质，为理论模型的完善提供了关键基准。同时，研究还表明，振动非谐性对类卡宾材料的宏观性质有重要影响，如影响电荷载流子迁移率、热导率和键刚度等，这促使科研人员重新审视之前对卡宾性质的预测，考虑非谐效应的影响。总之，该研究成果为深入理解类卡宾材料的结构和性质奠定了坚实基础，推动了卡宾及相关材料领域的发展，让科研人员在探索卡宾奥秘的道路上迈出了重要一步。
