石墨烯纳米带（Graphene Nanoribbons, GNRs）凭借其可调控的带隙、优异的电子迁移率及量子限制效应，长期以来被视为下一代碳基半导体材料的有力竞争者。然而，传统平面GNRs面临着巨大的挑战：刚性骨架导致的强π-π堆积使其极难溶解，严重限制了其溶液加工性能和大规模实际应用。
近日，哥伦比亚大学化学系Colin Nuckolls 教授团队在化学综述顶级期刊 Accounts of Chemical Research 上发表文章，系统总结了“扭曲石墨烯纳米带（twGNRs）”的创新设计策略。该团队通过分子工程学手段在GNR骨架中引入立体拥挤结构，迫使骨架发生扭曲。这一结构创新不仅解决了溶解性难题，更通过精准的合成控制，解锁了其在能源存储、生物电子学及手性自旋电子学三大前沿领域的全新应用。该综述的第一作者兼共同通讯作者为哥伦比亚大学化学系博士后研究员姜祺丰博士，共同通讯作者为哥伦比亚大学化学系Colin Nuckolls教授。
1. 设计策略：打破平面，引入“扭曲”
针对传统平面GNRs因强π-π堆积而面临的溶解度低、加工难等瓶颈，作者团队提出了一种“骨架扭曲+侧链模块化”的协同设计策略。首先，通过在骨架中引入4-螺烯（4-helicene）单元，构建出独特的扭曲几何构型。这种非平面结构有效地抑制了分子间的过度π-π堆积，并且在分子内部创造了利于离子传输的纳米级“孔隙”。其次，作者强调了侧链的模块化合成的重要性。通过预先合成的共轭骨架上引入不同功能的侧链（如用于有机溶剂加工的烷基链、用于生物界面的亲水聚乙二醇链，或用于手性诱导的手性中心），研究人员能够精确调控GNRs的溶解度、组装行为及光电性质。这种从骨架到侧链的全方位分子工程，为实现材料在不同领域的定制化应用奠定了坚实基础。
图1. twGNR设计策略
2. 合成方法学：自下而上的精准构筑
如何获得结构完美且长度可调的石墨烯纳米带，一直是该领域的重大挑战。表面合成法虽然精度高但产量极低，而传统的液相合成往往伴随着结构缺陷，严重损害材料的光电性能。针对这些瓶颈，Nuckolls 课题组开发了一套通用的自下而上（Bottom-up）液相合成策略，实现了twGNRs的宏量、精准制备。采用温和的室温 Stille 聚合结合高效光环化，避免了高温副反应，构筑了完美的无缺陷全稠合骨架，确保了材料优异的光电性能。通过端基工程，成功实现了从短链寡聚物到超长聚合物（>120 nm）的精准合成 ，为探究材料的“构效关系”提供了完美的物质基础。
图2. twGNR骨架合成策略
3. 能源存储：寻找构效关系的最佳平衡
在储能领域，twGNRs展现出独特的优势。综述详细探讨了纳米带长度与电池性能之间的构效关系（J. Am. Chem. Soc., 2022, 144, 13973–13980; Chem. Sci., 2025, 16, 17298–17303）。研究发现，在锂/镁电池应用中，中等长度的纳米带在电极稳定性（不溶性）与离子传输动力学（渗透性）之间达到了一个最佳平衡，从而实现了优异的倍率性能和循环稳定性。此外，针对水系钠离子电池，团队进一步开发了含有十字形铰链（Cruciform Hinges）的无定形纳米带材料（Chem, 2026, DOI: 10.1016/j.chempr.2025.102835）。这种设计巧妙地平衡了导电性、亲水性与不溶性，解决了水系电池负极材料长期面临的稳定性难题。
图3. 基于twGNR的超快充电锂/镁电池
4. 生物电子学：攻克n型材料短板，构建高性能神经接口
相比于成熟的 p 型材料，n 型有机混合离子-电子导体（OMIECs）的发展严重滞后。由于处于还原态的 n 型半导体极易被生理环境中的氧气和水氧化，导致现有材料普遍面临环境稳定性差、电子迁移率低及响应慢的瓶颈。针对这一问题，Nuckolls 课题组利用扭曲石墨烯纳米带平台，开发出了新型n 型聚合物材料——CARS（Contorted Acene Ribbons），实现了高性能 n 型生物电子器件的重大突破（Sci. Adv., 2025, 11, eadu2356）。
得益于无缺陷的扭曲骨架与亲水PEG侧链的协同，CARS在有机电化学晶体管（OECT）中的电子迁移率较缺陷对照组提升了近一个数量级，同时具备卓越的水相稳定性。作者团队进一步在大鼠体内实现了基于CARS的柔性神经探针的长达数周的高保真信号记录，成功捕捉到睡眠纺锤波等精细神经活动，为构建全有机互补型生物电路铺平了道路。
图4. 基于twGNR的OECT与神经探针
5. 手性光学：量子层面的自旋过滤
作者团队发现，手性侧链可以通过远程作用诱导扭曲石墨烯形成特定方向的螺旋骨架（chGNR）。这种“四两拨千斤”的分子工程策略，不仅能够精确控制骨架的螺旋方向（P-型或 M-型），更将微观的手性信息高效转化为宏观的光电响应，为打开量子世界的大门奠定了结构基础（J. Am. Chem. Soc., 2022, 144, 18772–18777; J. Am. Chem. Soc., 2024, 146, 51–56）。
在chGNR/WSe₂异质结中，团队采用全光学手段成功观测到了显著的手性诱导自旋选择性(CISS)效应（Angew. Chem., Int. Ed., 2025, 64, e202508426）。实验结果表明，这种长程有序的螺旋纳米带在室温下即可充当高效的自旋过滤器：(M)-构型的纳米带倾向于传输自旋向上的电子，而(P)-构型则倾向于传输自旋向下的电子。这一发现证实了无需外加磁场，仅凭分子的几何手性即可实现对电子自旋的高效操控，为开发下一代全碳基量子信息材料开辟了全新路径。
图5. 基于twGNR的自旋过滤器
总结
该综述系统阐述了从分子设计到宏观应用的完整逻辑：通过“结构扭曲”这一关键创新，结合自下而上的精准合成，成功克服了传统石墨烯纳米带的加工瓶颈，并赋予了其在能源、生物及量子信息领域的全新功能。这一系列工作证明了精确分子工程在开发新型功能碳材料中的巨大潜力。
原文：
Twisted Graphene Nanoribbons for Breakthroughs in Energy Storage, Bioelectronics and Chiroptics
Qifeng Jiang*, Shayan Louie, Si Tong Bao, Fay Ng, Michael L. Steigerwald, Colin Nuckolls*
Acc. Chem. Res., 2026, DOI: 10.1021/acs.accounts.5c00754
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