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……新型碳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。我国科学家成功创制了一种碳家族单晶新材料——单层聚合碳60，这是一种全新的簇聚二维超结构，为碳材料研究提供了全新思路。该研究由中国科学院化学研究所研究员郑健团队完成，相关成果15日在国际学术期刊《自然》在线发表。

碳材料由于自身优异的力、热、光、电等属性，在晶体管、能源存储器件、超导等领域被广泛应用。有材料学家认为，人类社会将由现今的“硅基电子时代”迈入“碳基电子时代”。因此，制备新型碳材料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。此项研究最大的突破在于，以碳簇代替碳原子构筑碳材料。”郑健介绍，此前构筑二维材料的最小单元是单个原子，而碳簇由多个碳原子构成，例如碳60是由60个碳原子构成的球状结构。团队认为，以碳簇构建二维材料有望获得更加新奇的性能。然而在此之前，以碳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。”郑健说。

对此，团队通过5年潜心研究，最终在常压下，利用掺杂聚合-剥离两步法，成功制备了单层二维聚合碳60单晶，由碳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。研究表明，单层聚合碳60具有良好的热力学稳定性，在300摄氏度高温情况下仍旧稳定存在。该材料在光/电半导体器件、非线性光学和功能化电子器件等方面具有重要应用前景，在超导、量子计算、信息及能量存储、催化等领域也具有应用潜力。