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圖a：準(zhǔn)六方聚合C60的單晶結(jié)構(gòu)示意圖。每個(gè)C60與周圍6個(gè)C60通過(guò)C-C共價(jià)鍵相連。圖b：單層聚合C60的掃描透射電子顯微鏡圖片，C60籠簇在圖中顯示為圓環(huán)。

人民網(wǎng)北京6月18日電 （記者趙竹青）記者從中國(guó)科學(xué)院獲悉，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所鄭健研究員團(tuán)隊(duì)在常壓下通過(guò)簡(jiǎn)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。這種新型碳材料具有較高的結(jié)晶度和良好的熱力學(xué)穩(wěn)定性，并具有適度的禁帶寬度，為碳材料的研究提供了全新的思路。該工作成果6月16日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)布。

碳材料一直被認(rèn)為是一種未來(lái)材料，甚至有的材料學(xué)家認(rèn)為人類社會(huì)由現(xiàn)今的“硅基電子時(shí)代”邁入到未來(lái)的“碳基電子時(shí)代”。通過(guò)調(diào)節(jié)碳材料的帶隙，可以使其表現(xiàn)出迥異的電學(xué)性質(zhì)：如金屬、半導(dǎo)體和絕緣體，從而在晶體管、能源存儲(chǔ)器件、超導(dǎo)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。碳材料的性能與其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)密切相關(guān)，因此，研究新的二維碳同素異形體，特別是具有帶隙的新型結(jié)構(gòu)，建立結(jié)構(gòu)與物性之間的關(guān)聯(lián)，具有重要意義。制備新型碳材料一直是材料領(lǐng)域的前沿科學(xué)問(wèn)題，以富勒烯、碳納米管、石墨烯、石墨炔為代表的新型碳材料的每一次發(fā)現(xiàn)都引發(fā)了材料學(xué)家的研究熱潮。

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。碳有多種同素異形體，包括：金剛石、石墨、富勒烯、碳納米管、石墨烯和石墨炔。

迄今為止構(gòu)筑二維材料的最小單元是單個(gè)原子，被稱為人造原子的納米團(tuán)簇作為基本單元構(gòu)筑更高級(jí)的二維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一直未能實(shí)現(xiàn)。由于碳碳成鍵的反應(yīng)收率不是100%，且反應(yīng)不可逆，因此使用傳統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)自下而上通過(guò)分子“壘磚頭”的方法制備二維團(tuán)簇碳材料單晶幾乎無(wú)法完成。鄭健課題組近年來(lái)潛心研究，歷時(shí)5年，利用摻雜聚合-剝離兩步法，成功制備了單層二維聚合C60單晶，獲得了確鑿的價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。

由于不對(duì)稱成鍵結(jié)構(gòu)，單層聚合C60中每個(gè)C60單元被拉伸成方向一致的橢球形，從而使得這種新的碳材料具有顯著的平面各向異性，如各向異性聲子模式和電導(dǎo)率，這表明該材料在非線性光學(xué)和功能化電子器件方面具有巨大應(yīng)用前景。此外，由于其獨(dú)特的共軛碳結(jié)構(gòu)、巨大的超晶格和多孔骨架結(jié)構(gòu)，該二維簇聚碳材料在超導(dǎo)、量子計(jì)算、自旋輸運(yùn)、信息及能量存儲(chǔ)、催化等領(lǐng)域也具有潛在的應(yīng)用。

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