文|陳根

碳是地球上極為重要的元素之一,它以多種形式廣泛存在于大氣、地殼和生物中。世界上的多數重要化合物,都離不開碳元素的身影,比如氨基酸是以碳元素為基礎的碳鏈,DNA的組成單位脫氧核苷酸,也是長長的碳鏈。可以說,碳能夠與自身或者幾乎所有元素以多種雜化方式成鍵,獲得結構豐富的碳網絡。

碳的原子序數為6,但是擁有的同位素多達十五種(碳8～碳22)。由于原子排列不同,能夠展現出不同的物理化學性質,這些材料被稱為碳的同素異形體,比如金剛石、石墨烯、纖維碳、富勒烯、碳納米管等等。此外,碳材料的性能與其拓撲結構密切相關,研究新的二維碳同素異形體,特別是具有帶隙的新型結構,一直是材料領域的前沿問題。

近日,我國中科院的研究人員,在常壓下通過簡單的反應條件,創制了一種新型碳同素異形體單晶——“單層聚合C60”。該材料具有較高的結晶度和良好的熱力學穩定性,未來或可為碳材料的研究提供了全新的思路。

具體來說,研究人員利用C60分子替代碳原子作為基礎單元,在常溫常壓的條件下,通過摻雜金屬鎂將C60分子聚合起來,再通過有機陽離子切片策略把金屬鎂去掉,最終得到單層聚合C60。

研究團隊進一步利用單晶X射線衍射(XRD)和掃描透射電子顯微鏡(STEM)對該單層碳60聚合物進行結構表征。結果顯示,該材料形成了一種全新的二維拓撲超結構。該結構具有良好的熱力學穩定性,在約600開爾文(326．85攝氏度)下仍舊穩定存在。

并且,由于不對稱成鍵結構,單層聚合碳60中每個碳60單元被拉伸成方向一致的橢球形,從而使得這種新的碳材料具有顯著的平面各向異性。這就表明,該碳家族單晶新材料以后可以在非線性光學和功能化電子器件方面實現新應用。

值得一提的是,該材料帶隙約為1．6電子伏特(eV),是典型的半導體,未來在半導體、量子計算、信息存儲、催化等領域或能起到重要作用。

       原文標題 : 陳根：中科院科學家，開辟碳材料新方向