“構思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，在中國科學院舉行的新聞發(fā)布會上，中國科學院化學研究所（以下簡稱化學所）研究員鄭健難掩內心喜悅，公布這一好消息。
當天，《自然》發(fā)表了他作為唯一通訊作者的論文。論文報道，該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，具有較高的結晶度和良好的熱力學穩(wěn)定性，為碳材料研究提供了全新的思路。
可以想象，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)狀結構。
值得關注的是，這項研究中，鄭健得到了在碳材料領域有著深厚積淀的化學所前輩的悉心指導和無私幫助。“我不是一個人在戰(zhàn)斗，我們實驗室研究碳材料家族，也像是一個團結的‘碳家族’。”他說。
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，科學家構筑出多種以碳原子為基礎的新材料。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，師從中國科學院朱道本院士和劉云圻院士，成為國內最早研究石墨烯的研究生。“那時我發(fā)現(xiàn)所有引領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。”鄭健告訴《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坐上遙遙無期的“冷板凳”。當然，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，試圖完美構思心目中的那個結構：“對于制備純碳材料，過去的思路一直是用碳原子作為基礎單元去構筑，有了富勒烯這種‘人造分子’，我能不能用‘分子’為基礎單元去做？”“對了！富勒烯的球形結構有可能讓新的碳材料產(chǎn)生神奇性質。”“石墨烯的獨特性質主要是單層結構帶來的。”
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單元的結構。“也許它能夠同時繼承球形結構和平面結構的優(yōu)點，給我們一個驚喜。”鄭健想。
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，他們終于有了動手把“腦洞”變成現(xiàn)實的機會。
鄭?。ㄗ螅┖秃盍柘柙谟懻搯栴}（研究團隊供圖）
一開始，他們打算采用傳統(tǒng)化學反應自下而上的“壘磚塊”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。”最新發(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，結果便是，C60分子不會按照你設計的規(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。
為想辦法讓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，歷經(jīng)無數(shù)次失敗。
長達5年的不懈探索，他們終于找到一種看起來迂回的“戰(zhàn)術”，用極其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。”鄭健介紹。
準六方聚合C60的單晶結構示意圖（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。“這離不開化學所先進技術平臺的支持，包括單晶X射線衍射（XRD）和掃描透射電子顯微鏡（STEM）等。”鄭健表示，“多種表征測量結果才能相互佐證我們得到的樣品就是目標產(chǎn)物。”
同時，測量結果還發(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℃下仍舊穩(wěn)定存在。
不僅如此，化學所在碳材料領域有著深厚積淀。據(jù)介紹，20世紀90年代初，在朱道本先生帶領下，實驗室在國內率先開展富勒烯研究，陸續(xù)取得豐碩成果。中國科學院院士劉云圻是國內最早從事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，王春儒研究員在內嵌富勒烯領域取得領先成就。
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域的高度關注。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、催化等領域也具有潛在的應用。
論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-022-04771-5