碳家族添新成员,中国科学家创造

  • 甘晓 (党委宣传部/新闻中心)
  • 创建于 2022-06-17
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  “构思5年,实验5年,前后10年时间不断探索,我们终于成功创制一种新的碳材料,为庞大的碳材料家族再添一名新成员!”6月16日,在中科院举行的新闻发布会上,中科院化学研究所(以下简称化学所)研究员郑健(编者注:国科大博士生导师)公布这一好消息时难掩内心喜悦。

  当天,《自然》发表了他作为通讯作者的论文。论文报道的工作在常压下通过简单的反应条件,创制了一种新型碳同素异形体单晶——单层聚合C60,具有较高的结晶度和良好的热力学稳定性,为碳材料研究提供了全新思路。

  这种新材料由被称为“富勒烯”的足球形状C60分子在平面上有规律地逐个排列、相互连接形成一层牢固的“足球”网状结构。

  在该研究中,郑健得到了在碳材料领域有着深厚积淀的化学所前辈的悉心指导和无私帮助。“我不是一个人在战斗,我们实验室研究碳材料家族,也像是一个团结的‘碳家族’。”他说。

郑健(左)和侯凌翔在讨论问题

  脑洞大开,做中国人的碳材料。

  创造一种新的碳材料是一件极具想象力的事。早在10多年前,郑健就动了这个念头。

  从20世纪80年代以来,科学家构筑出多种以碳原子为基础的新材料。

  例如,1985年美国和英国科学家联手发现了富勒烯C60,2004年两位英国科学家用“撕胶带”的方法从石墨中分离得到石墨烯。碳材料家族每添加一名新成员,都会引发国际材料学家的研究热潮。2007年,郑健进入化学所有机固体实验室攻读博士学位,师从中科院院士朱道本和刘云圻,成为国内最早研究石墨烯的研究生。

  “那时我发现所有引领热潮的碳材料都是国外科学家创制的,中国科学家则开展跟踪式研究。”郑健告诉《中国科学报》。

  于是,他默默立下志向:“一定要制备中国人自己原创的碳材料!”能预见到的是,这个课题的难度大概率会让他一直坐在“冷板凳”上。但这挡不住他对解决科学难题的热情。

  2011年至2015年完成博士学业后,郑健在国外继续开展研究。

  几年里,他无数次和自己对话,试图完美构思心目中的那个结构:“对于制备纯碳材料,过去的思路一直是用碳原子作为基础单元去构筑,有了富勒烯这种‘人造分子’,我能不能以‘分子’为基础单元去做?”“对了!富勒烯的球形结构有可能让新的碳材料产生神奇性质。”“石墨烯的独特性质主要是单层结构带来的。”

  最终,一个从来没有人想过的“超级网络”在他脑海里浮现:模仿平面的石墨烯并用C60分子替代碳原子作为基础单元的结构。“也许它能够同时继承球形结构和平面结构的优点,给我们一个惊喜。”郑健想。

  5年实验,用简单方法解决难题

  2015年后,郑健回到化学所,侯凌翔随后进组,他们终于有了把“脑洞”变成现实的机会。

  一开始,他们打算采用传统化学反应自下而上“垒砖块”的方法“搭积木”,让C60分子逐个往里添加。

  “我们尝试过表面催化、溶液自组装、光聚合等多种办法。”最新发表论文第一作者侯凌翔回忆,“但这些都成了我们走过的‘弯路’。”

  郑健分析,这是由于碳原子和碳原子连接成化学键的反应收率达不到100%,并且反应不可逆,也就是说,一个C60分子中一共有60个碳原子,想要让一个碳原子和相邻C60分子中的碳原子形成稳定连接,有太多种可能性。那么,结果便是,C60分子不会按照你设计的规律连接,那个想象中的“积木”总是歪歪扭扭,难以测量它的尺寸和性质。

  为了让C60分子乖乖听话排好队,侯凌翔花了整整一年时间,制备了上百种样品,经历了无数次失败。

  经过长达5年的探索,他们终于找到一种迂回“战术”,用简单的方法攻克了难题。

  “我们发明了在常温常压的温和条件下就可以实现的‘聚合—剥离两步法’。首先通过掺杂金属镁将C60分子聚合起来,再通过有机阳离子切片策略把金属镁去掉,最终得到单层聚合C60。”郑健介绍。

准六方聚合C60的单晶结构示意图

  聚合发力,“碳家族”成就新材料

  郑健成功创制新型碳材料的背后是整个有机固体实验室的聚合发力。在最新发表的论文中,单层聚合C60出炉后,他们还要对其各类参数进行测量,深入研究其特点。“这离不开化学所先进技术平台的支持,包括单晶X射线衍射(XRD)和扫描透射电子显微镜(STEM)等。”郑健表示,“多种表征测量结果才能相互佐证我们得到的样品就是目标产物。”

  同时,测量结果还发现,单层聚合C60是典型的半导体,并具有良好的热力学稳定性,在约326.85℃的高温下仍旧稳定存在。

  不仅如此,化学所在碳材料领域有着深厚积淀。据介绍,20世纪90年代初,在朱道本先生带领下,实验室在国内率先开展富勒烯研究,陆续取得丰硕成果;刘云圻团队成为国内最早从事CVD生长石墨烯研究的团队之一;中国科学院院士李玉良首次成功合成石墨炔;王春儒研究员在内嵌富勒烯领域取得领先成就。

  对此,郑健感恩:“站在前辈们的肩膀上,我们才会走得更远。”

  论文发表后很快得到国际碳材料领域的高度关注。专家们相信,该材料在非线性光学和功能化电子器件方面具有巨大应用前景,在超导、量子计算、自旋输运、信息及能量存储、催化等领域也具有潜在应用价值。

  相关论文信息:

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

责任编辑:李暄妍