“构想5年，实验5年，前后10年时间一直探索，我们终于乐成创造一种新的碳质料，为重大的碳质料家族再添一名新成员！”6月16日，在中国科学院举行的新闻宣布会上，中国科学院化学研究所（以下简称化学所）研究员郑健难掩心田喜悦，宣布这一好新闻。
当天，《自然》揭晓了他作为唯一通讯作者的论文。论文报道，该事情在常压下通过简朴的反应条件，创造了一种新型碳同素异形体单晶——单层聚合C60，具有较高的结晶度和优异的热力学稳固性，为碳质料研究提供了全新的思绪。
可以想象，这种新质料由被称为“富勒烯”的足球形状C60分子在平面上有纪律地逐个排列，相互毗连形成一层牢靠的“足球”网状结构。
值得关注的是，这项研究中，郑健获得了在碳质料领域有着深挚积淀的化学所先进的悉心指导和无私资助。“我不是一小我私家在战斗，我们实验室研究碳质料家族，也像是一个团结的‘碳家族’。”他说。
脑洞大开，做中国人的碳质料
创立一种新的碳质料是一件极具想象力的事。早在10多年前，郑健就动了这个念头。
从20世纪80年月以来，科学家修建出多种以碳原子为基础的新质料。例如，1985年美国和英国科学家联手发明了富勒烯C60，2004年两位英国科学家用“撕胶带”的要领从石墨中疏散获得石墨烯。碳质料家族每添加一名新成员，都会引发国际质料学家的研究热潮。
2007年，郑健进入化学所有机固体实验室攻读博士学位，师从中国科学院朱道本院士和刘云圻院士，成为海内最早研究石墨烯的研究生。“那时我发明所有引领热潮的碳质料都是外洋科学家创造的，中国科学家则开展跟踪式研究。”郑健告诉《中国科学报》。
于是，他默默立下志向：“一定要制备中国人自己原创的碳质料！”能预见到的是，这个课题的难度或许率会让他坐上遥遥无期的“冷板凳”。虽然，这挡不住他对解决科学难题的热情。
2011年至2015年完成博士学业后，郑健在外洋继续开展研究。几年里，他无数次和自己对话，试图完善构想心目中的谁人结构：“关于制备纯碳质料，已往的思绪一直是用碳原子作为基础单位去修建，有了富勒烯这种‘人造分子’，我能不可用‘分子’为基础单位去做 ？”“对了！富勒烯的球形结构有可能让新的碳质料爆发神奇性子。”“石墨烯的奇异性子主要是单层结构带来的。”
最终，一个历来没有人想过的“超等网络”在他脑海里浮现：模拟平面的石墨烯、并用C60分子替换碳原子作为基础单位的结构。“也许它能够同时继续球形结构清静面结构的优点，给我们一个惊喜。”郑健想。
5年实验，用简朴要领解决难题
2015年后，郑健回到化学所，侯凌翔随后进组，他们终于有了下手把“脑洞”酿成现实的时机。
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一最先，他们妄想接纳古板化学反应自下而上的“垒砖块”要领“搭积木”，让C60分子逐个往里添加。“我们实验过外貌催化、溶液自组装、光聚合等多种步伐。”最新揭晓论文第一作者侯凌翔回忆，“但这些都成了我们走过的‘弯路’。”
郑健剖析，这是由于碳原子和碳原子毗连成化学键的反应收率达不到100%，并且反应不可逆，也就是说，一个C60分子中一共有60个碳原子，想要让一个碳原子和相邻C60分子中的碳原子形成稳固毗连，有太多种可能性。那么，效果即是，C60分子不会凭证你设计的纪律毗连，谁人想象中的“积木”总是歪歪扭扭，难以丈量它的尺寸和性子。
为想步伐让C60分子乖乖听话排好队，侯凌翔花了整整一年时间，制备了上百种样品，历经无数次失败。
长达5年的不懈探索，他们终于找到一种看起来迂回的“战术”，用极其简朴的要领攻克了难题。
“我们发明了在常温常压的温顺条件下就可以实现的‘聚合-剥离两步法’。首先通过掺杂金属镁将C60分子聚合起来，再通过有机阳离子切片战略把金属镁去掉，最终获得单层聚合C60。”郑健先容。
准六方聚合C60的单晶结构示意图（研究团队供图）
聚合发力，“碳家族”成绩新质料
郑健乐成创造新型碳质料的背后是整个有机固体实验室的聚合发力。在最新揭晓的论文中，单层聚合C60出炉后，他们还要对其州参数举行丈量，深入研究其特点。“这离不开化学所先进手艺平台的支持，包括单晶X射线衍射（XRD）和扫描透射电子显微镜（STEM）等。”郑健体现，“多种表征丈量效果才华相互佐证我们获得的样品就是目的产品。”
同时，丈量效果还发明，单层聚合C60是典范的半导体，并具有优异的热力学稳固性，在约326.85℃下仍然稳固保存。
不但云云，化学所在碳质料领域有着深挚积淀。据先容，20世纪90年月初，在朱道本先生向导下，实验室在海内率先开展富勒烯研究，陆续取得丰富效果。中国科学院院士刘云圻是海内最早从事CVD生长石墨烯研究的团队之一，中国科学院院士李玉良首次乐成合成石墨炔，王春儒研究员在内嵌富勒烯领域取得领先成绩。
对此，郑健感恩：“站在先进们的肩膀上，我们才会走得更远。”
论文揭晓后很快获得国际碳质料领域的高度关注。专家们信托，该质料在非线性光学和功效化电子器件方面具有重大应用远景，在超导、量子盘算、自旋输运、信息及能量存储、催化等领域也具有潜在的应用。
论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-022-04771-5