文 《中國科學報》記者 甘曉

“構(gòu)思5年，實驗5年，前后10年時間不斷探索，我們終于成功創(chuàng)制一種新的碳材料，為龐大的碳材料家族再添一名新成員！”6月16日，在中科院舉行的新聞發(fā)布會上，中科院化學研究所（以下簡稱化學所）研究員鄭健公布這一好消息時難掩內(nèi)心喜悅。

當天，《自然》發(fā)表了他作為通訊作者的論文。論文報道的工作在常壓下通過簡單的反應條件，創(chuàng)制了一種新型碳同素異形體單晶——單層聚合C60，具有較高的結(jié)晶度和良好的熱力學穩(wěn)定性，為碳材料研究提供了全新思路。

這種新材料由被稱為“富勒烯”的足球形狀C60分子在平面上有規(guī)律地逐個排列、相互連接形成一層牢固的“足球”網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

在該研究中，鄭健得到了在碳材料領(lǐng)域有著深厚積淀的化學所前輩的悉心指導和無私幫助?！拔也皇且粋€人在戰(zhàn)斗，我們實驗室研究碳材料家族，也像是一個團結(jié)的‘碳家族’?！彼f。

鄭?。ㄗ螅┖秃盍柘柙谟懻搯栴}。 研究團隊供圖

腦洞大開，做中國人的碳材料

創(chuàng)造一種新的碳材料是一件極具想象力的事。早在10多年前，鄭健就動了這個念頭。

從20世紀80年代以來，科學家構(gòu)筑出多種以碳原子為基礎(chǔ)的新材料。

例如，1985年美國和英國科學家聯(lián)手發(fā)現(xiàn)了富勒烯C60，2004年兩位英國科學家用“撕膠帶”的方法從石墨中分離得到石墨烯。

碳材料家族每添加一名新成員，都會引發(fā)國際材料學家的研究熱潮。

2007年，鄭健進入化學所有機固體實驗室攻讀博士學位，師從中科院院士朱道本和劉云圻，成為國內(nèi)最早研究石墨烯的研究生。

“那時我發(fā)現(xiàn)所有引領(lǐng)熱潮的碳材料都是國外科學家創(chuàng)制的，中國科學家則開展跟蹤式研究?！编嵔「嬖V《中國科學報》。

于是，他默默立下志向：“一定要制備中國人自己原創(chuàng)的碳材料！”能預見到的是，這個課題的難度大概率會讓他一直坐在“冷板凳”上。但這擋不住他對解決科學難題的熱情。

2011年至2015年完成博士學業(yè)后，鄭健在國外繼續(xù)開展研究。

幾年里，他無數(shù)次和自己對話，試圖完美構(gòu)思心目中的那個結(jié)構(gòu)：“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，有了富勒烯這種‘人造分子’，我能不能以‘分子’為基礎(chǔ)單元去做？”“對了！富勒烯的球形結(jié)構(gòu)有可能讓新的碳材料產(chǎn)生神奇性質(zhì)。”“石墨烯的獨特性質(zhì)主要是單層結(jié)構(gòu)帶來的?！?/p>

最終，一個從來沒有人想過的“超級網(wǎng)絡”在他腦海里浮現(xiàn)：模仿平面的石墨烯并用C60分子替代碳原子作為基礎(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)。“也許它能夠同時繼承球形結(jié)構(gòu)和平面結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，給我們一個驚喜?！编嵔∠?。

5年實驗，用簡單方法解決難題

2015年后，鄭健回到化學所，侯凌翔隨后進組，他們終于有了把“腦洞”變成現(xiàn)實的機會。

一開始，他們打算采用傳統(tǒng)化學反應自下而上“壘磚塊”的方法“搭積木”，讓C60分子逐個往里添加。

“我們嘗試過表面催化、溶液自組裝、光聚合等多種辦法?！弊钚掳l(fā)表論文第一作者侯凌翔回憶，“但這些都成了我們走過的‘彎路’。”

鄭健分析，這是由于碳原子和碳原子連接成化學鍵的反應收率達不到100%，并且反應不可逆，也就是說，一個C60分子中一共有60個碳原子，想要讓一個碳原子和相鄰C60分子中的碳原子形成穩(wěn)定連接，有太多種可能性。那么，結(jié)果便是，C60分子不會按照你設(shè)計的規(guī)律連接，那個想象中的“積木”總是歪歪扭扭，難以測量它的尺寸和性質(zhì)。

為了讓C60分子乖乖聽話排好隊，侯凌翔花了整整一年時間，制備了上百種樣品，經(jīng)歷了無數(shù)次失敗。

經(jīng)過長達5年的探索，他們終于找到一種迂回“戰(zhàn)術(shù)”，用簡單的方法攻克了難題。

“我們發(fā)明了在常溫常壓的溫和條件下就可以實現(xiàn)的‘聚合—剝離兩步法’。首先通過摻雜金屬鎂將C60分子聚合起來，再通過有機陽離子切片策略把金屬鎂去掉，最終得到單層聚合C60?！编嵔〗榻B。

準六方聚合C60的單晶結(jié)構(gòu)示意圖。 研究團隊供圖

聚合發(fā)力，“碳家族”成就新材料

鄭健成功創(chuàng)制新型碳材料的背后是整個有機固體實驗室的聚合發(fā)力。在最新發(fā)表的論文中，單層聚合C60出爐后，他們還要對其各類參數(shù)進行測量，深入研究其特點?！斑@離不開化學所先進技術(shù)平臺的支持，包括單晶X射線衍射（XRD）和掃描透射電子顯微鏡（STEM）等?！编嵔”硎荆岸喾N表征測量結(jié)果才能相互佐證我們得到的樣品就是目標產(chǎn)物?！?/p>

同時，測量結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，單層聚合C60是典型的半導體，并具有良好的熱力學穩(wěn)定性，在約326.85 的高溫下仍舊穩(wěn)定存在。

不僅如此，化學所在碳材料領(lǐng)域有著深厚積淀。據(jù)介紹，20世紀90年代初，在朱道本先生帶領(lǐng)下，實驗室在國內(nèi)率先開展富勒烯研究，陸續(xù)取得豐碩成果；劉云圻團隊成為國內(nèi)最早從事CVD生長石墨烯研究的團隊之一；中國科學院院士李玉良首次成功合成石墨炔；王春儒研究員在內(nèi)嵌富勒烯領(lǐng)域取得領(lǐng)先成就。

對此，鄭健感恩：“站在前輩們的肩膀上，我們才會走得更遠。”

論文發(fā)表后很快得到國際碳材料領(lǐng)域的高度關(guān)注。專家們相信，該材料在非線性光學和功能化電子器件方面具有巨大應用前景，在超導、量子計算、自旋輸運、信息及能量存儲、催化等領(lǐng)域也具有潛在應用價值。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-022-04771-5