富勒烯、碳納米管、石墨烯、石墨炔……碳材料一直被認(rèn)為是一種未來材料，每一種新型碳材料的發(fā)現(xiàn)都引發(fā)材料學(xué)家的研究熱潮。如今，碳家族再添新成員——中國科學(xué)院化學(xué)研究所鄭健研究員團(tuán)隊十年磨一劍，在常壓下通過簡單的反應(yīng)條件，創(chuàng)制了一種新型碳同素異形體單晶“單層聚合C60”，它具有較高的結(jié)晶度和良好的熱力學(xué)穩(wěn)定性，為碳材料的研究提供了全新的思路。
這一成果發(fā)表在16日出版的國際學(xué)術(shù)期刊《自然》上，引起了國際化學(xué)界和材料學(xué)界的廣泛關(guān)注。
同一種元素構(gòu)成的物質(zhì)，由于原子排列不同，展現(xiàn)出不同的物理化學(xué)性質(zhì)，我們稱之為同素異形體。柔軟的石墨、堅硬的金剛石等都是碳的同素異形體，有各自不同的重要應(yīng)用。但這些材料都是自然界中存在的，一直以來，科學(xué)家們都在尋找，有沒有可能用碳原子“搭建”出新型材料，“定制”出我們需要的新型碳材料。
“對于制備純碳材料，過去的思路一直是用碳原子作為基礎(chǔ)單元去構(gòu)筑。”鄭健解釋，他帶領(lǐng)團(tuán)隊創(chuàng)造性地用C60分子替代碳原子作為基礎(chǔ)單元，在常溫常壓的溫和條件下，通過摻雜金屬鎂將C60分子聚合起來，再通過有機(jī)陽離子切片策略把金屬鎂去掉，最終得到單層聚合C60。
這是一種全新的簇聚二維超結(jié)構(gòu)，由C60簇籠在平面上通過C-C鍵相互共價鍵合形成規(guī)則的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。“為了得到這個穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，我們用了五年。”鄭健說，一個C60分子中一共有60個碳原子，想要得到穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，就要讓相鄰分子中的碳原子形成穩(wěn)定連接。論文第一作者、鄭健團(tuán)隊成員侯凌翔博士說：“有太多種可能性，但正確的道路只有一條，否則C60分子就不會按照設(shè)計的規(guī)律連接，難以測量它的尺寸和性質(zhì)。我們嘗試了很多種方法，制備了許多樣品，走了很多彎路。”潛心研究終于有了回報：多種表征測量結(jié)果顯示，這種新材料就是鄭健團(tuán)隊想要得到的目標(biāo)材料，他們開創(chuàng)了一種新的制備碳材料的方法。
同時，測量結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，這種新材料是典型的半導(dǎo)體，并具有良好的熱力學(xué)穩(wěn)定性，在約326.85℃下仍舊穩(wěn)定存在。鄭健說：“我們認(rèn)為，這種新材料在非線性光學(xué)和功能化電子器件方面具有重要應(yīng)用前景，在超導(dǎo)、量子計算、自旋輸運(yùn)、信息及能量存儲、催化等領(lǐng)域也具有潛在的應(yīng)用。”接下來，團(tuán)隊將深入研究這一新材料的特性，探索更多的應(yīng)用場景和更大的應(yīng)用價值。（齊芳）
（責(zé)任編輯：蔡文斌）
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