石墨烯納米帶（GNR）是寬度在納米尺寸級別的條狀石墨烯，由于其在電、光、磁等方面所具有的優異性質，使它們在光電器件、傳感、量子信息處理和能量轉換等方面具有重要的應用前景。石墨烯納米帶的物理性質主要取決于它的結構，例如長度、寬度、雜原子摻雜、邊緣類型、缺陷引入等等，所以合成結構精準的石墨烯納米帶是十分重要的。

制備石墨烯納米帶的方法主要有兩種，一種是自上而下（top-down）的策略，由這種策略制備的石墨烯納米帶的結構不能夠被精確地控制，從而導致性質的不穩定。另外一種是自下而上（bottom-up）的合成策略，這種策略能夠較好地控制石墨烯納米帶的結構，包括寬度、邊緣類型等。

但是已有的自下而上的合成方法也有著很大的局限性，例如，利用已發展的聚合反應得到的石墨烯納米帶通常是一個長度不一的多分散的混合物，這勢必會導致性質的不確定性。

另外，傳統的聚合反應只能夠有次序地控制一種或兩種單體的聚合，不能夠有效控制三種或三種以上單體的聚合。這些局限性極大地限制了對石墨烯納米帶的性質及多樣性的研究，所以發展一種可以完全控制石墨烯納米帶的長度以及單體順序的合成策略是十分必要的，同時也充滿了挑戰。

最近，芝加哥大學的董廣彬教授課題組和加州大學伯克利分校的Michael F. Crommie教授課題組發展了一種基于迭代的Suzuki–Miyaura偶聯的合成策略（PAIS），成功地制備了一系列單分散的石墨烯納米帶，并使用基質輔助的直接轉移技術（matrix assisted direct transfer，MAD transfer）和化學鍵分辨的掃描隧道顯微技術（bond-resolved scanning tunneling microscopy，BRSTM）對這些產物進行了表征（圖1）。

圖1. 石墨烯納米帶的合成策略。（a）已有的GNR合成策略及其局限性；（b）本文發展的PAIS策略合成結構多樣的GNR；（c）該合成策略的主要過程。

該策略的核心是雙官能化單體的使用，該雙官能化單體可由二溴代物的順序的硼化和1，8-萘二胺（dan）保護而得。首先，起始單體A（苯硼酸）與第一個雙官能化單體B進行偶聯反應，得到末端為非活性B（dan）的偶聯產物AB-B（dan），該產物在酸性條件下能夠進行水解反應從而得到末端為活性硼酸的產物AB-B（OH）2，AB-B（OH）2接著與另外一個雙官能化單體C進行反應，如此迭代，便可得到由多種不同單體連接的順序可控的GNR前體。通過使用MAD transfer技術，該前體可被轉移到Au（111）表面上，接著進行表面脫氫環化得到最終的石墨烯納米帶（圖1）。

圖2. 利用PAIS策略合成的五種不同類型的GNR

利用PAIS合成策略，作者成功制備了五種結構不同的單分散GNR前體（圖2），分別為：（

1）含有六個重復單元的波浪型GNR前體pre-chGNR（6）；

（2）含有椅型（armchair）和波浪型（chevron）GNR前體的異質結組合體pre-9-chGNR；

（3）次序為椅型（armchair）、波浪型（chevron）和椅型（armchair）GNR前體的雙異質結組合體pre-9-chevron-9AGNR；

（4）邊緣結構為椅型（armchair）的“V”型GNR前體pre-6-V-6-AGNR；

（5）邊緣結構分別為椅型（armchair）和波浪型（chevron）的“V”型GNR前體pre-9-V-chGNR。如圖2所示，每一步的迭代反應都能夠以較好到優異的產率得到對應的產物，證明了此方法的高效性。基質輔助激光解吸電離飛行時間質譜（MALDI-TOF-MS）證明了這些GNR前體的高度單分散性。

接著，作者使用MAD transfer技術將GNR前體轉移到Au（111）表面上，進行脫氫環化反應以得到最終的GNR。BRSTM圖片直接顯示出這些GNR的準確結構，大范圍的STM圖片證明了這些GNR的高度單分散性。

同時可以觀測到一些具有缺陷的GNR的生成，比如丟失一些苯環，苯環的翻轉導致的異構體等，但這些都是在最后一步的表面脫氫環化過程中發生的，并且這些缺陷可以通過溶液中的氧化環化來避免。

這些單分散性的GNR的成功制備證明了該策略在合成新型單分散GNR方面的巨大潛力，為合成具有優異物理性質的GNR奠定了堅實的基礎。

相關結果發表在Journal of the American Chemical Society 上，文章第一作者為芝加哥大學博士后尹江亮和加州大學伯克利分校博士后Peter H. Jacobse。

審核編輯 ：李倩