富勒烯、碳纳米管、石墨烯、石墨炔……碳材料一直被认为是一种未来材料，每一种新型碳材料的发现都引发材料学家的研究热潮。如今，碳家族再添新成员——中国科学院化学研究所郑健研究员团队十年磨一剑，在常压下通过简单的反应条件，创制了一种新型碳同素异形体单晶“单层聚合C60”，这是一种全新的簇聚二维超结构，C60簇笼在平面上通过C-C键相互共价键合形成规则的拓扑结构。这种新型碳材料具有较高的结晶度和良好的热力学稳定性，并具有适度的禁带宽度，为碳材料的研究提供了全新的思路。
这一成果发表在16日出版的国际学术期刊《自然》上，引起了国际化学界和材料学界的广泛关注。
同一种元素构成的物质，由于原子排列不同，展现出不同的物理化学性质，我们称之为同素异形体。柔软的石墨、坚硬的金刚石等都是碳的同素异形体，有各自不同的重要应用。但这些材料都是自然界中存在的，一直以来，科学家们都在寻找，有没有可能用碳原子“搭建”出新型材料，“定制”出我们需要的新型碳材料。
“对于制备纯碳材料，过去的思路一直是用碳原子作为基础单元去构筑。”郑健解释，他带领团队创造性地用C60分子替代碳原子作为基础单元，在常温常压的温和条件下，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策略把金属镁去掉，最终得到单层聚合C60。
这是一种全新的簇聚二维超结构，由C60簇笼在平面上通过C-C键相互共价键合形成规则的拓扑结构。“为了得到这个稳定的结构，我们用了五年。”郑健说，一个C60分子中一共有60个碳原子，想要得到稳定的结构，就要让相邻分子中的碳原子形成稳定连接。论文第一作者、郑健团队成员侯凌翔博士说：“有太多种可能性，但正确的道路只有一条，否则C60分子就不会按照设计的规律连接，难以测量它的尺寸和性质。我们尝试了很多种方法，制备了许多样品，走了很多弯路。”潜心研究终于有了回报：多种表征测量结果显示，这种新材料就是郑健团队想要得到的目标材料，他们开创了一种新的制备碳材料的方法。
同时，测量结果还发现，这种新材料是典型的半导体，并具有良好的热力学稳定性，在约326.85℃下仍旧稳定存在。郑健说：“我们认为，这种新材料在非线性光学和功能化电子器件方面具有重要应用前景，在超导、量子计算、自旋输运、信息及能量存储、催化等领域也具有潜在的应用。”接下来，团队将深入研究这一新材料的特性，探索更多的应用场景和更大的应用价值。
图a：准六方聚合C60的单晶结构示意图。每个C60与周围6个C60通过C-C共价键相连。图b：单层聚合C60的STEM图片，C60笼簇在STEM图片中显示为圆环。
相关研究成果发表在Nature（https://www.nature.com/articles/s41586-022-04771-5）上。侯凌翔博士为论文第一作者，郑健研究员为通讯作者。
（来源：中科院化学所 光明日报 ）
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