“構(gòu)思5年，實(shí)驗(yàn)5年，前后10年時(shí)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(guó)科學(xué)院舉行的新聞發(fā)布會(huì)上，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所（以下簡(jiǎn)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(dāng)天，《自然》發(fā)表了他作為唯一通訊作者的論文。論文報(bào)道，該工作在常壓下通過(guò)簡(jiǎn)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(gè)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(xiàng)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(wú)私幫助。“我不是一個(gè)人在戰(zhàn)斗，我們實(shí)驗(yàn)室研究碳材料家族，也像是一個(gè)團(tuán)結(jié)的‘碳家族’。”他說(shuō)。
腦洞大開(kāi)，做中國(guó)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(dòng)了這個(gè)念頭。
從20世紀(jì)80年代以來(lái)，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(guó)和英國(guó)科學(xué)家聯(lián)手發(fā)現(xiàn)了富勒烯C60，2004年兩位英國(guó)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(huì)引發(fā)國(guó)際材料學(xué)家的研究熱潮。
2007年，鄭健進(jìn)入化學(xué)所有機(jī)固體實(shí)驗(yàn)室攻讀博士學(xué)位，師從中國(guó)科學(xué)院朱道本院士和劉云圻院士，成為國(guó)內(nèi)最早研究石墨烯的研究生。“那時(shí)我發(fā)現(xiàn)所有引領(lǐng)熱潮的碳材料都是國(guó)外科學(xué)家創(chuàng)制的，中國(guó)科學(xué)家則開(kāi)展跟蹤式研究。”鄭健告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。
于是，他默默立下志向：“一定要制備中國(guó)人自己原創(chuàng)的碳材料！”能預(yù)見(jiàn)到的是，這個(gè)課題的難度大概率會(huì)讓他坐上遙遙無(wú)期的“冷板凳”。當(dāng)然，這擋不住他對(duì)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(guó)外繼續(xù)開(kāi)展研究。幾年里，他無(wú)數(shù)次和自己對(duì)話，試圖完美構(gòu)思心目中的那個(gè)結(jié)構(gòu)：“對(duì)于制備純碳材料，過(guò)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(duì)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(dú)特性質(zhì)主要是單層結(jié)構(gòu)帶來(lái)的。”
最終，一個(gè)從來(lái)沒(méi)有人想過(guò)的“超級(jí)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(shí)繼承球形結(jié)構(gòu)和平面結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，給我們一個(gè)驚喜。”鄭健想。
5年實(shí)驗(yàn)，用簡(jiǎn)單方法解決難題
2015年后，鄭健回到化學(xué)所，侯凌翔隨后進(jìn)組，他們終于有了動(dòng)手把“腦洞”變成現(xiàn)實(shí)的機(jī)會(huì)。
鄭?。ㄗ螅┖秃盍柘柙谟懻搯?wèn)題（研究團(tuán)隊(duì)供圖）
一開(kāi)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(gè)往里添加。“我們嘗試過(guò)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(guò)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(dá)不到100%，并且反應(yīng)不可逆，也就是說(shuō)，一個(gè)C60分子中一共有60個(gè)碳原子，想要讓一個(gè)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(huì)按照你設(shè)計(jì)的規(guī)律連接，那個(gè)想象中的“積木”總是歪歪扭扭，難以測(cè)量它的尺寸和性質(zhì)。
為想辦法讓C60分子乖乖聽(tīng)話排好隊(duì)，侯凌翔花了整整一年時(shí)間，制備了上百種樣品，歷經(jīng)無(wú)數(shù)次失敗。
長(zhǎng)達(dá)5年的不懈探索，他們終于找到一種看起來(lái)迂回的“戰(zhàn)術(shù)”，用極其簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)的‘聚合-剝離兩步法’。首先通過(guò)摻雜金屬鎂將C60分子聚合起來(lái)，再通過(guò)有機(jī)陽(yáng)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(zhǔn)六方聚合C60的單晶結(jié)構(gòu)示意圖（研究團(tuán)隊(duì)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(gè)有機(jī)固體實(shí)驗(yàn)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(duì)其各類(lèi)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，深入研究其特點(diǎn)。“這離不開(kāi)化學(xué)所先進(jìn)技術(shù)平臺(tái)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(cè)量結(jié)果才能相互佐證我們得到的樣品就是目標(biāo)產(chǎn)物。”
同時(shí)，測(cè)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(jì)90年代初，在朱道本先生帶領(lǐng)下，實(shí)驗(yàn)室在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展富勒烯研究，陸續(xù)取得豐碩成果。中國(guó)科學(xué)院院士劉云圻是國(guó)內(nèi)最早從事CVD生長(zhǎng)石墨烯研究的團(tuán)隊(duì)之一，中國(guó)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(duì)此，鄭健感恩：“站在前輩們的肩膀上，我們才會(huì)走得更遠(yuǎn)。”
論文發(fā)表后很快得到國(guó)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(jì)算、自旋輸運(yùn)、信息及能量存儲(chǔ)、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