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富勒烯、碳納米管、石墨烯……新型碳材料領(lǐng)域的每一次發(fā)現(xiàn)，都對人類科技進步產(chǎn)生了重要影響。我國科學(xué)家成功創(chuàng)制了一種碳家族單晶新材料——單層聚合碳60，這是一種全新的簇聚二維超結(jié)構(gòu)，為碳材料研究提供了全新思路。

該研究由中國科學(xué)院化學(xué)研究所研究員鄭健團隊完成，相關(guān)成果15日在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》在線發(fā)表。

碳材料由于自身優(yōu)異的力、熱、光、電等屬性，在晶體管、能源存儲器件、超導(dǎo)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。有材料學(xué)家認為，人類社會將由現(xiàn)今的“硅基電子時代”邁入“碳基電子時代”。因此，制備新型碳材料一直是材料領(lǐng)域的前沿科學(xué)問題。

“碳材料的性能與其拓撲結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。此項研究最大的突破在于，以碳簇代替碳原子構(gòu)筑碳材料。”鄭健介紹，此前構(gòu)筑二維材料的最小單元是單個原子，而碳簇由多個碳原子構(gòu)成，例如碳60是由60個碳原子構(gòu)成的球狀結(jié)構(gòu)。團隊認為，以碳簇構(gòu)建二維材料有望獲得更加新奇的性能。

然而在此之前，以碳簇作為基本單元構(gòu)筑更高級的二維拓撲結(jié)構(gòu)一直未能實現(xiàn)。“由于碳碳成鍵的反應(yīng)收率不是100%，且反應(yīng)不可逆，因此使用傳統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)自下而上通過分子‘壘磚頭’的方法制備二維團簇碳材料單晶幾乎無法完成。”鄭健說。

對此，團隊通過5年潛心研究，最終在常壓下，利用摻雜聚合-剝離兩步法，成功制備了單層二維聚合碳60單晶，由碳60在平面上通過C-C鍵相互共價鍵合形成規(guī)則的拓撲結(jié)構(gòu)。

研究表明，單層聚合碳60具有良好的熱力學(xué)穩(wěn)定性，在300攝氏度高溫情況下仍舊穩(wěn)定存在。該材料在光/電半導(dǎo)體器件、非線性光學(xué)和功能化電子器件等方面具有重要應(yīng)用前景，在超導(dǎo)、量子計算、信息及能量存儲、催化等領(lǐng)域也具有應(yīng)用潛力。

原標(biāo)題：我國科學(xué)家創(chuàng)制碳家族單晶新材料 開辟碳材料研究新方向