“構思5年，實(shí)驗5年，前后10年時(shí)間不斷探索，我們終于成功創(chuàng )制一種新的碳材料，為龐大的碳材料家族再添一名新成員！”6月16日，在中國科學(xué)院舉行的新聞發(fā)布會(huì )上，中國科學(xué)院化學(xué)研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)化學(xué)所）研究員鄭健難掩內心喜悅，公布這一好消息。
當天，《自然》發(fā)表了他作為唯一通訊作者的論文。論文報道，該工作在常壓下通過(guò)簡(jiǎn)單的反應條件，創(chuàng )制了一種新型碳同素異形體單晶——單層聚合C60，具有較高的結晶度和良好的熱力學(xué)穩定性，為碳材料研究提供了全新的思路。
可以想象，這種新材料由被稱(chēng)為“富勒烯”的足球形狀C60分子在平面上有規律地逐個(gè)排列，相互連接形成一層牢固的“足球”網(wǎng)狀結構。
值得關(guān)注的是，這項研究中，鄭健得到了在碳材料領(lǐng)域有著(zhù)深厚積淀的化學(xué)所前輩的悉心指導和無(wú)私幫助。“我不是一個(gè)人在戰斗，我們實(shí)驗室研究碳材料家族，也像是一個(gè)團結的‘碳家族’。”他說(shuō)。
腦洞大開(kāi)，做中國人的碳材料
創(chuàng )造一種新的碳材料是一件極具想象力的事。早在10多年前，鄭健就動(dòng)了這個(gè)念頭。
從20世紀80年代以來(lái)，科學(xué)家構筑出多種以碳原子為基礎的新材料。例如，1985年美國和英國科學(xué)家聯(lián)手發(fā)現了富勒烯C60，2004年兩位英國科學(xué)家用“撕膠帶”的方法從石墨中分離得到石墨烯。碳材料家族每添加一名新成員，都會(huì )引發(fā)國際材料學(xué)家的研究熱潮。
2007年，鄭健進(jìn)入化學(xué)所有機固體實(shí)驗室攻讀博士學(xué)位，師從中國科學(xué)院朱道本院士和劉云圻院士，成為國內最早研究石墨烯的研究生。“那時(shí)我發(fā)現所有引領(lǐng)熱潮的碳材料都是國外科學(xué)家創(chuàng )制的，中國科學(xué)家則開(kāi)展跟蹤式研究。”鄭健告訴《中國科學(xué)報》。
于是，他默默立下志向：“一定要制備中國人自己原創(chuàng )的碳材料！”能預見(jiàn)到的是，這個(gè)課題的難度大概率會(huì )讓他坐上遙遙無(wú)期的“冷板凳”。當然，這擋不住他對解決科學(xué)難題的熱情。
2011年至2015年完成博士學(xué)業(yè)后，鄭健在國外繼續開(kāi)展研究。幾年里，他無(wú)數次和自己對話(huà)，試圖完美構思心目中的那個(gè)結構：“對于制備純碳材料，過(guò)去的思路一直是用碳原子作為基礎單元去構筑，有了富勒烯這種‘人造分子’，我能不能用‘分子’為基礎單元去做？”“對了！富勒烯的球形結構有可能讓新的碳材料產(chǎn)生神奇性質(zhì)。”“石墨烯的獨特性質(zhì)主要是單層結構帶來(lái)的。”
最終，一個(gè)從來(lái)沒(méi)有人想過(guò)的“超級網(wǎng)絡(luò )”在他腦海里浮現：模仿平面的石墨烯、并用C60分子替代碳原子作為基礎單元的結構。“也許它能夠同時(shí)繼承球形結構和平面結構的優(yōu)點(diǎn)，給我們一個(gè)驚喜。”鄭健想。
5年實(shí)驗，用簡(jiǎn)單方法解決難題
2015年后，鄭健回到化學(xué)所，侯凌翔隨后進(jìn)組，他們終于有了動(dòng)手把“腦洞”變成現實(shí)的機會(huì )。
鄭?。ㄗ螅┖秃盍柘柙谟懻搯?wèn)題（研究團隊供圖）
一開(kāi)始，他們打算采用傳統化學(xué)反應自下而上的“壘磚塊”方法“搭積木”，讓C60分子逐個(gè)往里添加。“我們嘗試過(guò)表面催化、溶液自組裝、光聚合等多種辦法。”最新發(fā)表論文第一作者侯凌翔回憶，“但這些都成了我們走過(guò)的‘彎路’。”
鄭健分析，這是由于碳原子和碳原子連接成化學(xué)鍵的反應收率達不到100%，并且反應不可逆，也就是說(shuō)，一個(gè)C60分子中一共有60個(gè)碳原子，想要讓一個(gè)碳原子和相鄰C60分子中的碳原子形成穩定連接，有太多種可能性。那么，結果便是，C60分子不會(huì )按照你設計的規律連接，那個(gè)想象中的“積木”總是歪歪扭扭，難以測量它的尺寸和性質(zhì)。
為想辦法讓C60分子乖乖聽(tīng)話(huà)排好隊，侯凌翔花了整整一年時(shí)間，制備了上百種樣品，歷經(jīng)無(wú)數次失敗。
長(cháng)達5年的不懈探索，他們終于找到一種看起來(lái)迂回的“戰術(shù)”，用極其簡(jiǎn)單的方法攻克了難題。
“我們發(fā)明了在常溫常壓的溫和條件下就可以實(shí)現的‘聚合-剝離兩步法’。首先通過(guò)摻雜金屬鎂將C60分子聚合起來(lái)，再通過(guò)有機陽(yáng)離子切片策略把金屬鎂去掉，最終得到單層聚合C60。”鄭健介紹。
準六方聚合C60的單晶結構示意圖（研究團隊供圖）
聚合發(fā)力，“碳家族”成就新材料
鄭健成功創(chuàng )制新型碳材料的背后是整個(gè)有機固體實(shí)驗室的聚合發(fā)力。在最新發(fā)表的論文中，單層聚合C60出爐后，他們還要對其各類(lèi)參數進(jìn)行測量，深入研究其特點(diǎn)。“這離不開(kāi)化學(xué)所先進(jìn)技術(shù)平臺的支持，包括單晶X射線(xiàn)衍射（XRD）和掃描透射電子顯微鏡（STEM）等。”鄭健表示，“多種表征測量結果才能相互佐證我們得到的樣品就是目標產(chǎn)物。”
同時(shí)，測量結果還發(fā)現，單層聚合C60是典型的半導體，并具有良好的熱力學(xué)穩定性，在約326.85℃下仍舊穩定存在。
不僅如此，化學(xué)所在碳材料領(lǐng)域有著(zhù)深厚積淀。據介紹，20世紀90年代初，在朱道本先生帶領(lǐng)下，實(shí)驗室在國內率先開(kāi)展富勒烯研究，陸續取得豐碩成果。中國科學(xué)院院士劉云圻是國內最早從事CVD生長(cháng)石墨烯研究的團隊之一，中國科學(xué)院院士李玉良首次成功合成石墨炔，王春儒研究員在內嵌富勒烯領(lǐng)域取得領(lǐng)先成就。
對此，鄭健感恩：“站在前輩們的肩膀上，我們才會(huì )走得更遠。”
論文發(fā)表后很快得到國際碳材料領(lǐng)域的高度關(guān)注。專(zhuān)家們相信，該材料在非線(xiàn)性光學(xué)和功能化電子器件方面具有巨大應用前景，在超導、量子計算、自旋輸運、信息及能量存儲、催化等領(lǐng)域也具有潛在的應用。
論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-022-04771-5