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10年一劍!中國科學(xué)家創(chuàng)造碳家族新成員

時間:2022-06-16     來源:中國科學(xué)報

“構(gòu)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(xué)院舉行的新聞發(fā)布會上,中國科學(xué)院化學(xué)研究所(以下簡稱化學(xué)所)研究員鄭健難掩內(nèi)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(yīng)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(jié)晶度和良好的熱力學(xué)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(jié)構(gòu)。

值得關(guān)注的是,這項研究中,鄭健得到了在碳材料領(lǐng)域有著深厚積淀的化學(xué)所前輩的悉心指導(dǎo)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(jié)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(xué)家構(gòu)筑出多種以碳原子為基礎(chǔ)的新材料。例如,1985年美國和英國科學(xué)家聯(lián)手發(fā)現(xiàn)了富勒烯C60,2004年兩位英國科學(xué)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(xué)家的研究熱潮。

2007年,鄭健進入化學(xué)所有機固體實驗室攻讀博士學(xué)位,師從中國科學(xué)院朱道本院士和劉云圻院士,成為國內(nèi)最早研究石墨烯的研究生。“那時我發(fā)現(xiàn)所有引領(lǐng)熱潮的碳材料都是國外科學(xué)家創(chuàng)制的,中國科學(xué)家則開展跟蹤式研究。”鄭健告訴《中國科學(xué)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(yù)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(xué)難題的熱情。

2011年至2015年完成博士學(xué)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(gòu)思心目中的那個結(jié)構(gòu):“對于制備純碳材料,過去的思路一直是用碳原子作為基礎(chǔ)單元去構(gòu)筑,有了富勒烯這種‘人造分子’,我能不能用‘分子’為基礎(chǔ)單元去做?”“對了!富勒烯的球形結(jié)構(gòu)有可能讓新的碳材料產(chǎn)生神奇性質(zhì)。”“石墨烯的獨特性質(zhì)主要是單層結(jié)構(gòu)帶來的。”

最終,一個從來沒有人想過的“超級網(wǎng)絡(luò)”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(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)。“也許它能夠同時繼承球形結(jié)構(gòu)和平面結(jié)構(gòu)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(xué)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(xué)反應(yīng)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(xué)鍵的反應(yīng)收率達不到100%,并且反應(yīng)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(jié)果便是,C60分子不會按照你設(shè)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(zhì)。

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(shù)”,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(jié)構(gòu)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(xué)所先進技術(shù)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(jié)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(jié)果還發(fā)現(xiàn),單層聚合C60是典型的半導(dǎo)體,并具有良好的熱力學(xué)穩(wěn)定性,在約326.85℃下仍舊穩(wěn)定存在。

不僅如此,化學(xué)所在碳材料領(lǐng)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(lǐng)下,實驗室在國內(nèi)率先開展富勒烯研究,陸續(xù)取得豐碩成果。中國科學(xué)院院士劉云圻是國內(nèi)最早從事CVD生長石墨烯研究的團隊之一,中國科學(xué)院院士李玉良首次成功合成石墨炔,王春儒研究員在內(nèi)嵌富勒烯領(lǐng)域取得領(lǐng)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(lǐng)域的高度關(guān)注。專家們相信,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,在超導(dǎo)、量子計算、自旋輸運、信息及能量存儲、催化等領(lǐng)域也具有潛在的應(yīng)用。

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