中国科学家高压合成出微米级碳鞘世界最长单原子铜金属链

北京高压科学研究中心（HPSTAR）李阔团队在《科学》2026年8月20日刊报告，他们造出了仅一个原子宽、却长达上千个原子连续的铜"金属线"——这是迄今最长的单金属原子链，且领先幅度达到两个数量级以上。这项由李阔领衔、毛河光等参与的工作，把一个物理学家追逐数十年的结构，从脆弱的实验室奇观，变成了可以称量、储存和把玩的真实材料。

一维金属为何难以兼顾

单金属原子链（SMAC）是材料微型化的极限：金属原子沿一条直线首尾相接，几乎没有任何横向宽度。它也是研究一维凝聚态物理近乎理想的模型——Peierls失稳、Tomonaga–Luttinger液体、自旋链，都只有在电子被逼进单一原子通道时才会最干净地展现。难处在于，一排原子几乎没有"邻居"来撑住它：块体金属里每个原子被四面八方包围，而一条链上每个原子只有前后两个伙伴，结构极易重排到更低能量的形态。

正是这种脆弱，造成了困扰领域多年的"三难"：在超高真空中组装的链条可以很干净，却只能短暂存在；溶液法此前最多做到约28个镍原子（约10纳米）的尺度，无法放大；而能稳定、批量得到的样品，链长又太短，难以深入研究。长度、稳定、可量产，三者始终难以同时到场。

碳鞘如何"锁住"原子链

李阔团队用一种被称为"高压固相拓扑聚合"的策略绕开了这个死结。原料是β-酞菁铜（β-CuPc）——常见于油墨和塑料的蓝色颜料。在晶体里，CuPc分子以柱状堆积，中心铜离子已经沿堆积方向整齐排成一线，等于天然准备好了原子线的模板。

团队把晶体放进巴黎–爱丁堡压机，施加超过21吉帕（约21万个大气压）的压力；据对该工作的技术细节报道，分子间聚合始于约21.5吉帕，在约25吉帕、约533 K保温约12小时后完成反应。在如此高压下，分子被压得足够近，外围芳香环相互连接、聚合，形成一层致密饱和的碳骨架。这层骨架变成刚性的"鞘"，紧紧箍住铜离子，让它们在卸压后依然保持笔直、等距的一列。李阔用一句话比喻：给一原本要断裂的细丝，套上一层坚固的"保护套管"。

让这项工作与众不同的是具体数字。碳鞘单晶长到约940×250×50立方微米，大到肉眼可见、可以操作。经酸辅助剥离后，单根铜链长度突破1微米，连续串联4000个以上铜原子，比此前任何样品长约两个数量级。铜–铜间距被稳定在2.57埃，产量达到毫克级——即可称量、可重复使用的量级，而非单个显微镜下的特征。碳鞘还补上了缺失的稳定性：原子链能在常压、强酸、强超声下保持结构完整。

现在可以测量的物理

因为链够长、够有序、够结实，过去做不到的实验变得可行。《科学》论文报告了沿链方向的各向异性导电，以及相邻铜原子间的一维反铁磁耦合（由实验与计算共同提示）。一根只有一个原子宽的导线，正是检验一维理论预言是否成真的干净舞台，也让我们能看清真实材料在何处偏离理想链条。

从材料到可用互连（分析）

把这项成果直接读成"原子级芯片布线黎明"，很有诱惑力；作者也指出其长远价值。论文共同作者、中国科学院院士、高压科学先驱毛河光表示，原子尺度的超细金属线，有望为下一代纳米电路、柔性穿戴电子器件等提供全新材料选项。这是合理的方向，而非近期预测。

【分析】要成为真正可用的互连，仍有另一类问题。基于已发表结果推断，材料本身与器件之间至少横亘三道关卡，把它们当成已解决会失之轻率。其一，原子链藏在碳鞘之内；要拿它当导体，就必须在绝缘套管中，对单根原子线做出可靠、且能百万倍复现的电学接触。其二，合成是批式高压工艺——把毫克级产量变成晶圆上均匀、可寻址的元件，是另一性质的集成难题。其三，论文报道的电学与磁学，多为宏观集合信号；证明单根剥离链在工况温度下行为一致，仍在前方。这些都不减损成果的分量，却区分了"突破性材料"与"已交付产品"。公允地说，这项工作搬开了长期存在的合成瓶颈、打开了一个物理平台；从那里到工程落地，路是通的，但并不短。

方法或可推广

该方法并不限于铜。团队报告，同样的高压拓扑聚合可推广到钴、镍、锌等多种金属，暗示这是一种通用的"包鞘单原子链"合成法，而非孤例。若这一广度被后续证实，更重要的收获或许是策略本身：一种把分子前驱体直接"压"成原子级精确一维导线的方法，为一族材料打开了大门——既服务基础研究，也终将指向极小尺度的电子学。