我國科學(xué)家創(chuàng)制出碳家族單晶新材料

碳是一種神奇的材料，既可以構(gòu)成柔軟的鉛筆芯，也可以構(gòu)成堅硬的金剛石。2022 年6 月16日，《自然》雜質(zhì)發(fā)表了一項關(guān)于碳家族新材料的研究成果。中國科學(xué)院化學(xué)研究所的研究人員，在常壓下通過簡單的反應(yīng)條件，創(chuàng)制出一種新型碳同素異形體單晶—單層聚合C60。

金剛石、石墨烯、富勒烯、碳納米管……碳材料家族成員，大家并不陌生，它們一直被認為是一種未來材料。雖然這些材料都由碳原子構(gòu)成，但由于原子排列不同，它們展現(xiàn)出完全不同的物理化學(xué)性質(zhì)，因此，它們被稱為碳的“同素異形體”。

研究新的碳同素異形體、制備新型碳材料一直是材料領(lǐng)域的前沿科學(xué)問題。“迄今為止，單個原子一直是構(gòu)筑二維材料的最小單元。把納米團簇作為基本單元，使用傳統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)，自下而上像‘壘磚頭’一樣構(gòu)筑更高級的二維拓撲結(jié)構(gòu)材料一直未能實現(xiàn)。”中科院化學(xué)所研究員鄭健坦言。

為此，經(jīng)過5 年的潛心研究，研究人員利用摻雜聚合-剝離兩步法，成功把納米團簇C60 聚合在一個平面上，并通過碳碳鍵相互共價鍵合形成規(guī)則的二維拓撲結(jié)構(gòu)材料，即單層二維聚合C60 單晶?！巴ㄟ^進一步研究，我們發(fā)現(xiàn)，這種新型碳材料具有結(jié)晶度高、熱力學(xué)穩(wěn)定性好以及禁帶寬度適度等優(yōu)良特性。”鄭健說，這是繼石墨烯之后，又一種穩(wěn)定的二維碳材料。

鄭健表示，這項研究開辟了以碳簇代替原子構(gòu)筑碳材料的新策略，同時，新制備的碳材料在非線性光學(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)用價值。