自1985年发现富勒烯C60以来，就有一个世纪难题伴随而来，即富勒烯是如何形成的？经过三十多年的研究，人们对富勒烯有了更深刻的认识。目前有两种主流的观点来试图解释富勒烯的生长机理：第一种观点认为富勒烯是由碳原子或C2、C3等小碳簇不断生长而形成，称为"自下而上"（bottom-up）形成机理；第二种观点认为富勒烯可能是由石墨或石墨片碎片先经过C-C键的断裂，再经由碳原子离去，最后慢慢卷曲形成的，称为"从上而下"（top-down）形成机理。但是无论是哪一种观点，目前都没有在实验上得到完全验证。相比于空心富勒烯，内嵌金属富勒烯（EMF）由于在富勒烯空腔内部嵌入了金属原子或者金属团簇，其生长机理则更加复杂，目前仍是一个未解之谜。为了更好地理解内嵌金属富勒烯的形成机理，研究团队长期致力于寻找一些不稳定的中间体作为认识机理的关键实验证据。基于该想法，研究团队通过电弧放电法合成了两个违背"独立五元环规则"的内嵌金属富勒烯Sc₂C₂@C₁(39656)-C₈₂和Sc₂C₂@C₁(51383)-C₈₄，并通过单晶X射线衍射表征了其结构。

理论计算表明这两个结构在能量上是不稳定的、亚稳态的结构，并且可能不是在剧烈的电弧中心中形成的，而是通过C₂碎片插入于在电弧中心形成的两种稳定的前驱体（Sc₂C₂@C_2v(5)-C₈₀以及Sc₂C₂@C_s(6)-C₈₂）后而形成的产物。研究团队进一步提出了一种"两步法"的理论模型来对这种亚稳态的产物进行验证，从而证明了这两个结构都是"C₂插入"的产物。这个工作不仅为内嵌金属富勒烯的形成机理提供了新的见解，还展示了"C₂插入"合成新型的内嵌金属富勒烯的可能性。

该研究工作在我院郑兰荪院士、谢素原院士、谭元植教授、邓顺柳教授指导下完成。谭元植教授、邓顺柳教授和西班牙加泰罗尼亚化学研究学院Luis Echegoyen教授为该文章的共同通讯作者。该工作历时多年完成，文章的共同第一作者均为谢素原院士团队的毕业生，包括博士毕业生姚阳榕（现任中国科学技术大学副研究员）、博士毕业生陈佐长（现留组任博士后）和硕士毕业生陈灵芳（现为中科院化学所博士生）。参与本研究工作的还有硕士毕业生郑珊瑜（现为上海交通大学博士生）以及中国科学技术大学杨上峰教授。这一工作得到国家自然科学基金委（项目批准号：91961112、92061204、92061103、21721001、51925206）和中央高校基本科研基金（项目批准号：WK2060000051）的资助。

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c04840