1月12日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院材料科學(xué)與工程系、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心朱彥武團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志上發(fā)表研究論文，報(bào)道了在常壓條件下通過(guò)化學(xué)電荷注入技術(shù)，將富勒烯C₆₀分子晶體轉(zhuǎn)變?yōu)榫酆衔锞w和長(zhǎng)程有序多孔碳（LOPC）晶體的相關(guān)進(jìn)展。LOPC晶體是由C₆₀分子之間通過(guò)共價(jià)鍵連接而成的新型人工碳晶體，既具有多孔特性又保留了C₆₀分子晶體的長(zhǎng)程有序特征。在該研究中，研究人員實(shí)現(xiàn)了上述材料的克量級(jí)制備，系統(tǒng)表征了其微觀(guān)結(jié)構(gòu)、譜學(xué)特征、結(jié)構(gòu)衍化和電學(xué)性質(zhì)；發(fā)展了電荷注入方法輔助實(shí)現(xiàn)C₆₀分子間界面的原子級(jí)精度調(diào)控，為碳基晶體材料研究提供了一種“拼樂(lè)高”式的制備技術(shù)。

　　碳原子通過(guò)不同軌道雜化方式，形成石墨、金剛石等具有不同性質(zhì)和應(yīng)用的碳基晶體；sp2雜化的碳原子通過(guò)維度、曲率等變化，可形成富勒烯、納米碳管和石墨烯等碳基納米結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)出獨(dú)特性質(zhì)。碳材料研究領(lǐng)域近年來(lái)的諸多進(jìn)展表明，從富勒烯這一具有明確結(jié)構(gòu)的納米單元出發(fā)，有望得到具有新奇性質(zhì)和應(yīng)用潛力的新型碳基晶體材料。然而，在已經(jīng)報(bào)道的制備研究中，產(chǎn)物的產(chǎn)率通常較低且多為混合相，難以獲得具有明確結(jié)構(gòu)和可調(diào)性質(zhì)、可用于深入表征及廣泛應(yīng)用探索的碳基晶體。

　　朱彥武團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于發(fā)展碳材料規(guī)?；苽浼夹g(shù)，特別集中于從石墨烯、富勒烯等納米碳基單元出發(fā)、通過(guò)調(diào)控單元界面得到新型碳材料的研究。該團(tuán)隊(duì)曾利用氫氧化鉀對(duì)微波剝離的還原氧化石墨烯進(jìn)行活化處理，將石墨烯片層重構(gòu)為兼具高比表面積和高電導(dǎo)率、具有負(fù)曲率結(jié)構(gòu)特征的“活化石墨烯”，作為超級(jí)電容器電極材料體現(xiàn)出優(yōu)異性能，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)活化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步精細(xì)調(diào)控。團(tuán)隊(duì)近期研究發(fā)現(xiàn)，將氮化鋰（a-Li₃N）和石墨接觸時(shí)，其部分電子會(huì)轉(zhuǎn)移至石墨的π電子云，導(dǎo)致石墨層間距異常增大、層間滑移能壘降低，從而使得3R相（ABC堆疊）石墨可在比此前報(bào)道低得多的溫度下轉(zhuǎn)變?yōu)?H相（AB堆疊）。

　　在上述研究基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)利用氮化鋰對(duì)富勒烯C₆₀分子晶體進(jìn)行電荷注入，在常壓條件下和440-600 ℃范圍內(nèi)將面心立方堆積的C₆₀分子晶體轉(zhuǎn)變?yōu)榫酆衔锞w及LOPC晶體，實(shí)現(xiàn)了其克量級(jí)制備。在來(lái)自東南大學(xué)、中國(guó)散裂中子源、國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室、南方科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、韓國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)研究所等研究團(tuán)隊(duì)的合作幫助下，系統(tǒng)地表征了其微觀(guān)結(jié)構(gòu)、譜學(xué)特征、電子結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)。研究表明，電荷注入C₆₀分子導(dǎo)致的電偶極矩可在鄰近的分子間傳遞，降低了在反應(yīng)過(guò)程中C₆₀籠間的加成反應(yīng)勢(shì)壘；更進(jìn)一步的反應(yīng)（更高處理溫度、更多電荷注入量、更長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間）使得籠間連接部分轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢膕p²結(jié)構(gòu)，但分子主體位置仍保持良好的長(zhǎng)程有序特性。從分子晶體到聚合物晶體和LOPC晶體的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變過(guò)程中，其室溫電導(dǎo)率逐漸升高；電子從局域在單個(gè)分子上逐漸發(fā)展為遠(yuǎn)程離域特性。值得注意的是，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)基于機(jī)器學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)搜索進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)程有序多孔碳晶體代表了一大類(lèi)從富勒烯分子晶體到石墨類(lèi)碳晶體轉(zhuǎn)變過(guò)程中的亞穩(wěn)態(tài)晶體結(jié)構(gòu)，其具體結(jié)構(gòu)種類(lèi)可能是一個(gè)非常龐大的數(shù)目。

　　綜上，該研究利用化學(xué)電荷注入技術(shù)，基于結(jié)構(gòu)明確的C₆₀分子晶體，實(shí)現(xiàn)了包含巨大數(shù)量碳原子體系的熱力學(xué)狀態(tài)和動(dòng)力學(xué)過(guò)程的精確調(diào)控，在常壓條件下獲得了克量級(jí)的長(zhǎng)程有序多孔碳晶體，系統(tǒng)地表征了其微觀(guān)結(jié)構(gòu)和相關(guān)性質(zhì)，為新型碳基晶體結(jié)構(gòu)構(gòu)建、性質(zhì)研究及應(yīng)用探索提供了新的視野。

　　該工作獲得科技部重大研究計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等的支持。

　　論文鏈接

形貌和結(jié)構(gòu)表征

微觀(guān)結(jié)構(gòu)表征

理論模擬和原位MAS-SSNMR測(cè)試

電子態(tài)密度、X射線(xiàn)吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜和電學(xué)性質(zhì)測(cè)試