中国科学家发现碳家族单晶新材料

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的扫描透射电子显微镜图片，C60笼簇在图中显示为圆环。

人民网北京6月18日电 （记者赵竹青）记者从中国科学院获悉，中国科学院化学研究所郑健研究员团队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。该工作成果6月16日在国际学术期刊《自然》发布。

碳材料一直被认为是一种未来材料，甚至有的材料学家认为人类社会由现今的“硅基电子时代”迈入到未来的“碳基电子时代”。通过调节碳材料的带隙，可以使其表现出迥异的电学性质：如金属、半导体和绝缘体，从而在晶体管、能源存储器件、超导等领域具有广泛应用。碳材料的性能与其拓扑结构密切相关，因此，研究新的二维碳同素异形体，特别是具有带隙的新型结构，建立结构与物性之间的关联，具有重要意义。制备新型碳材料一直是材料领域的前沿科学问题，以富勒烯、碳纳米管、石墨烯、石墨炔为代表的新型碳材料的每一次发现都引发了材料学家的研究热潮。

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。碳有多种同素异形体，包括：金刚石、石墨、富勒烯、碳纳米管、石墨烯和石墨炔。

迄今为止构筑二维材料的最小单元是单个原子，被称为人造原子的纳米团簇作为基本单元构筑更高级的二维拓扑结构一直未能实现。由于碳碳成键的反应收率不是100%，且反应不可逆，因此使用传统化学反应自下而上通过分子“垒砖头”的方法制备二维团簇碳材料单晶几乎无法完成。郑健课题组近年来潜心研究，历时5年，利用掺杂聚合-剥离两步法，成功制备了单层二维聚合C60单晶，获得了确凿的价键结构。

由于不对称成键结构，单层聚合C60中每个C60单元被拉伸成方向一致的椭球形，从而使得这种新的碳材料具有显著的平面各向异性，如各向异性声子模式和电导率，这表明该材料在非线性光学和功能化电子器件方面具有巨大应用前景。此外，由于其独特的共轭碳结构、巨大的超晶格和多孔骨架结构，该二维簇聚碳材料在超导、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。