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10年一剑！中国科学家创造碳家族新成员

功夫：2022-06-16 起源：中国科学报

“构思5年，尝试5年，前后10年功夫不休索求，我们终于成功创造一种新的碳资料，为重大的碳资料家族再添一名新成员！”6月16日，在中国科学院进行的新闻颁布会上，中国科学院化学钻研所（以下简称化学所）钻研员郑健难掩内心喜悦，颁布这一好新闻。

当天，《天然》颁发了他作为唯一通讯作者的论文。论文报路，该工作在常压下通过单一的反映前提，创造了一种新型碳同素异形体单晶——单层聚合C₆₀，拥有较高的结晶度和优良的热力学不变性，为碳资料钻研提供了全新的思路。

能够设想，这种新资料由被称为“富勒烯”的足球状态C₆₀分子在平面上有法规地逐个分列，相互衔接形成一层牢固的“足球”网状结构。

值得关注的是，这项钻研中，郑健得到了在碳资料领域有着深厚积淀的化学所前辈的悉心领导和无私援手。“我不是一幼我在战斗，我们尝试室钻研碳资料家族，也像是一个联结的‘碳家族’。”他说。

脑洞大开，做中国人的碳资料

创造一种新的碳资料是一件极具设想力的事。早在10多年前，郑健就动了这个想头。

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资料。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”的步骤从石墨中分离得到石墨烯。碳资料家族每增长一名新成员，城市引发国际资料学家的钻研热潮。

2007年，郑健进入化学所有机固体尝试室攻读博士学位，师从中国科学院朱路本院士和刘云圻院士，成为国内最早钻研石墨烯的钻研生。“那时我发现所有引领热潮的碳资料都是国表科学家创造的，中国科学家则发展跟踪式钻研。”郑健通知《中国科学报》。

因而，他默默立下理想：“肯定要造备中国人自己原创的碳资料！”能预感到的是，这个课题的难度或许率会让他坐上遥遥无期的“冷板凳”。当然，这挡不住他对解决科学难题的周到。

2011年至2015年实现博士学业后，郑健在国表持续发展钻研。几年里，他无数次和自己对话，试图美满构思心目中的那个结构：“对于造备纯碳资料，从前的思路一向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’，我能不能用‘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资料产生神奇性质。”“石墨烯的独个性质重要是单层结构带来的。”

最终，一个从来没有人想过的“超等网络”在他脑海里浮现：仿照平面的石墨烯、并用C₆₀分子代替碳原子作为基础单元的结构。“也许它可能同时继承球形结构和平面结构的利益，给我们一个惊喜。”郑健想。

5年尝试，用单一步骤解决难题

2015年后，郑健回到化学所，侯凌翔随后进组，他们终于有了着手把“脑洞”造成现实的机遇。

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一路头，他们筹算选取传统化学反映自下而上的“垒砖块”步骤“搭积木”，让C₆₀分子逐个往里增长。“我们尝试过表表催化、溶液自组装、光聚合等多种法子。”最新颁发论文第一作者侯凌翔回顾，“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衔接成化学键的反映收率达不到100%，并且反映不成逆，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不变衔接，有太多种可能性。那么，了局就是，C₆₀分子不会依照你设计的法规衔接，那个设想中的“积木”总是歪七扭八，难以丈量它的尺寸和性质。

为设法子让C₆₀分子乖乖听话排好队，侯凌翔花了整整一年功夫，造备了上百种样品，历经无数次失败。

长达5年的不懈索求，他们终于找到一种看起来曲折的“战术”，用极其单一的步骤攻克了难题。

“我们发了然在常温常压的和善前提下就能够实现的‘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战术把金属镁去掉，最终得到单层聚合C₆₀。”郑健介绍。

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准六方聚合C₆₀的单晶结构示意图（钻研团队供图）

聚合发力，“碳家族”成就新资料

郑健成功创造新型碳资料的背后是整个有机固体尝试室的聚合发力。在最新颁发的论文中，单层聚合C60出炉后，他们还要对其各类参数进行丈量，深刻钻研其特点。“这离不开化学所先进技术平台的支持，蕴含单晶X射线衍射（XRD）和扫描透射电子显微镜（STEM）等。”郑健暗示，“多种表征丈量了局能力相互佐证我们得到的样品就是指标产品。”

同时，丈量了局还发现，单层聚合C₆₀是典型的半导体，并拥有优良的热力学不变性，在约326.85℃下仍旧不变存在。

不仅如此，化学地点碳资料领域有着深厚积淀。据介绍，20世纪90年代初，在朱路本先生携带下，尝试室在国内率先发展富勒烯钻研，陆续获得丰硕成就。中国科学院院士刘云圻是国内最早从事CVD成长石墨烯钻研的团队之一，中国科学院院士李玉良初次成功合成石墨炔，王春儒钻研员在内嵌富勒烯领域获切当先成就。

对此，郑健感恩：“站在前辈们的肩膀上，我们才会走得更远。”

论文颁发后很快得到国际碳资料领域的高度关注。专家们相信，该资料在非线性光学和职能化电子器件方面拥有巨大利用远景，在超导、量子推算、自旋输运、信息及能量存储、催化等领域也拥有潜在的利用。

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

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