中國科學院化學研究所研究員鄭健團隊以富勒烯為基本單位,運用巧妙的實驗方法,創制出一種新型碳同素異形體單晶——單層聚合碳60,并得到了確定的晶體價鍵結構。這種新材料在常壓下通過簡單的反應條件即可制備,未來有望應用于半導體、超導、量子計算等領域。6月16日,相關研究成果刊發在《自然》雜志。
同一種元素構成的物質,由于原子排列不同,會展現出不同的物理、化學性質,即同素異形體。碳元素可與包括自身在內的幾乎所有元素形成結構豐富的碳網絡,金剛石、石墨、富勒烯、石墨烯、石墨炔等,都是碳的同素異形體。
“碳是*多樣神奇的材料,它可以從*軟到*硬,從絕緣到超導,蘊含著無限可能!编嵔≌f,探索新的碳材料一直是材料化學的經典挑戰,此前,科學家大多以碳原子為基本單位,進行碳材料的平面結構構筑。而使用被稱為“人造原子”的納米團簇來“蓋大樓”,構筑出更*的二維拓撲結構,一直未能實現。
鄭健的目標便是突破這一難題。讀研究生時,鄭健就參與了石墨烯的科研工作,“當時能接觸到的所有碳材料都是國外的,我就在想,什么時候能做一個我們自己的材料”。于是,他將目光放在了碳原子的納米團簇之一——富勒烯,希望將其作為“磚塊”,創造出新的碳材料。
“一個富勒烯上有60個碳原子,整體是個足球的形狀,所以也叫‘足球烯’。在制備新材料的過程中,要讓每個碳原子按我們的意志乖乖‘聽話’,實現大范圍的連接,是個很大的挑戰!闭勂鹧邪l過程,鄭健說,僅是方案的構思和探索,團隊就用了5年時間。一個“磚塊”放錯位置,或一處共價鍵連接有誤,整體的結構就會變為無序狀態。
傳統的“壘磚塊”、表面催化等方法都行不通,科研團隊便發揮想象力,運用“迂回戰術”,先在晶體制備過程中摻入離子,聚合后再去掉離子,終于得到了結構穩定的新材料。這種方法在常壓下使用簡單的反應條件即可完成,鄭健和團隊進行了上百次單晶結構測試,得到了確鑿的結構,摸索出有效參數,終于做出了我國原創的新型碳材料——單層二維聚合碳60單晶,并確認了它在原子層面的連接方式。
這是繼石墨烯、石墨炔后又一種穩定的碳材料,已實現常溫穩定保存2年以上,在超過300攝氏度的高溫下仍能穩定存在。新材料的帶隙與單晶硅接近,未來有望用作半導體材料,其獨特的共軛碳結構、巨大的晶格,在超導、量子計算、信息及能量存儲等領域也具有潛在的應用價值。