碳方程新材料

我国科学家创制碳家族单晶新材料 开辟碳材料研究新方向

富勒烯、碳纳米管、石墨烯……碳新材料领域的每一次发现都对人类科技进步产生了重要影响。中国科学家成功创造了一种新的碳家族单晶材料——单层聚合碳60，这是一种全新的团簇二维超结构，为碳材料的研究提供了新思路。

该研究由中国科学院化学研究所研究员简媜完成，相关成果15日在线发表在国际学术期刊《自然》上。

图A:准六方聚合碳60的单晶结构示意图。图B:单层聚合碳60的扫描透射电子显微照片。(中国科学院化学研究所供图)

碳因其优异的力学、热学、光学和电学性能，被广泛应用于晶体管、储能器件和超导等领域。有材料科学家认为，人类社会将从目前的“硅基电子时代”进入“碳基电子时代”。因此，新型碳材料的制备一直是材料领域的前沿科学问题。

“碳材料的性能与其拓扑结构密切相关。这项研究最大的突破在于用碳团簇代替碳原子构建碳材料。”根据简媜的说法，之前构建二维材料的最小单位是单个原子，而碳团簇是由多个碳原子组成的。例如，碳60是由60个碳原子组成的球形结构。该团队认为，用碳团簇构建二维材料有望获得更新颖的性质。

但在此之前，一直无法构建以碳团簇为基本单位的更高级别的二维拓扑结构。“由于碳碳成键的反应产率不是100%，而且反应是不可逆的，所以利用传统的化学反应通过分子‘积木’自下而上制备二维团簇碳单晶几乎是不可能的。”简媜说。

对此，团队通过5年的潜心研究，最终在常压下通过掺杂聚合-剥离法成功制备出单层二维聚合碳60单晶，碳60在平面上通过C-C键相互共价键合，形成规则的拓扑结构。

结果表明，单层聚合碳60具有良好的热力学稳定性，在300℃仍能稳定存在。该材料在光/电半导体器件、非线性光学和功能电子器件中具有重要的应用前景，在超导、量子计算、信息和能量存储、催化等领域也具有应用潜力。(记者张权)