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我国科学家创造一种新型碳材料

作者:
来源:
光明日报
2022/06/17 11:48
浏览量
【摘要】:
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”,它具有较高的结晶度和良好的热力学稳定性,为碳材料的研究提供了全新的思路。

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”,它具有较高的结晶度和良好的热力学稳定性,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。(记者 齐芳)

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