光学分子开关是一种特殊的分子器件，它可以在多种分子构型之间转换并实现对系统光学特性的调节。长期以来，碱金属掺杂的纳米复合材料被认为是一种其光学非线性能够得到有效控制的理想分子开关。并且，这类化合物已经被广泛应用于对体系光学性质调节本质的理论预测和分析中。
最近在实验中成功制备并成像的环[18]碳分子作为纳米碳系统的原型，具有特殊的电子结构和许多不寻常的光学特性，在光电子器件中具有巨大的潜在应用价值。同时，由于在光电材料方面的适用性，锂原子是在配位掺杂以增强分子光学非线性中被应用得最多的碱金属。考虑到自由环[18]碳的极端化学活性，通过锂原子掺杂可提高其稳定性并进而调控体系的光学性质。锂掺杂的环[18]碳体系是一个非常典型的碱金属掺杂纳米碳系统，深入了解该体系的电子结构和光学性质以及不同锂原子掺杂方式对其相关性质的调控是一个很有意义的课题。
江苏科技大学刘泽玉副研究员与北京自然科学研究中心卢天博士针对这一课题从理论上构建了锂原子掺杂的环[18]碳复合物并优化了锂原子位于环内、外的两个稳定构型。密度泛函理论计算和波函数分析结果表明，两个锂掺杂的环[18]碳稳定构型可以通过适当的外电场进行切换从而使系统的光学性质被有效调控。精确的计算研究表明，在环境条件下，锂原子位于碳环内、外的两种单锂化环[18]碳复合物之间的构型转换势垒很低，施加适度的外电场能够对主导构型进行有效控制。锂原子在碳环内、外的切换可引起体系电子结构改变并因此实现对体系电子吸收光谱和（超）极化率的调控。该工作还利用多种波函数分析方法，深入揭示了不同构型锂掺杂的环[18]碳复合物光学性质差异的本质。具有不同构型的锂掺杂环[18]碳复合物在电子结构和光学性质上的显著差异表明其在外电场控制的光学分子开关中具有潜在的应用前景。
相关研究结果以“Potential optical molecular switch: Lithium@cyclo[18]carbon complex transforming between two stable configurations”为题发表在Carbon（DOI: 10.1016/j.carbon.2021.11.005）上。研究者希望本文的工作能为实验化学家设计、合成碱金属化的环碳新型光学分子器件提供启发。
另外：该研究团队就环[18]碳分子体系进行了长期深入的理论研究，并已在Carbon（DOI: 10.1016/j.carbon.2020.04.099; 10.1016/j.carbon.2020.05.023; 10.1016/j.carbon.2020.09.048）、Chem. Asian J.（DOI: 10.1002/asia.202001228; 10.1002/asia.202100589）和ChemPhysChem（DOI: 10.1002/cphc.202000903）上发表了一系列相关研究成果。