“构想5年，实验5年，前后10年时间不停探索，我们终于乐成创制一种新的碳质料，为庞大的碳质料家族再添一名新成员！”6月16日，在中国科学院举行的新闻宣布会上，中国科学院化学研究所（以下简称化学所）研究员郑健难掩内心喜悦，宣布这一好消息 。
当天，《自然》发表了他作为唯一通讯作者的论文 。论文报道，该事情在常压下通过简单的反映条件，创制了一种新型碳同素异形体单晶——单层聚合C60，具有较高的结晶度和良好的热力学稳定性，为碳质料研究提供了全新的思路 。
可以想象，这种新质料由被称为“富勒烯”的足球形状C60分子在平面上有规律地逐个排列，相互连接形成一层牢固的“足球”网状结构 。
值得关注的是，这项研究中，郑健得到了在碳质料领域有着深厚积淀的化学所前辈的悉心指导和无私资助 。“我不是一个人在战斗，我们实验室研究碳质料家族，也像是一个团结的‘碳家族’ 。”他说 。
脑洞大开，做中国人的碳质料
缔造一种新的碳质料是一件极具想象力的事 。早在10多年前，郑健就动了这个念头 。
从20世纪80年代以来，科学家构筑出多种以碳原子为基础的新质料 。例如，1985年美国和英国科学家联手发现了富勒烯C60，2004年两位英国科学家用“撕胶带”的要领从石墨中疏散得到石墨烯 。碳质料家族每添加一名新成员，都市引发国际质料学家的研究热潮 。
2007年，郑健进入化学所有机固体实验室攻读博士学位，师从中国科学院朱道本院士和刘云圻院士，成为国内最早研究石墨烯的研究生 。“那时我发现所有引领热潮的碳质料都是国外科学家创制的，中国科学家则开展跟踪式研究 。”郑健告诉《中国科学报》 。
于是，他默默立下志向：“一定要制备中国人自己原创的碳质料！”能预见到的是，这个课题的难度大概率会让他坐上遥遥无期的“冷板凳” 。虽然，这挡不住他对解决科学难题的热情 。
2011年至2015年完成博士学业后，郑健在国外继续开展研究 。几年里，他无数次和自己对话，试图完美构想心目中的那个结构：“对于制备纯碳质料，过去的思路一直是用碳原子作为基础单元去构筑，有了富勒烯这种‘人造分子’，我能不能用‘分子’为基础单元去做？”“对了！富勒烯的球形结构有可能让新的碳质料发生神奇性质 。”“石墨烯的奇特性质主要是单层结构带来的 。”
最终，一个从来没有人想过的“超级网络”在他脑海里浮现：模仿平面的石墨烯、并用C60分子替代碳原子作为基础单元的结构 。“也许它能够同时继承球形结构和平面结构的优点，给我们一个惊喜 。”郑健想 。
5年实验，用简单要领解决难题
2015年后，郑健回到化学所，侯凌翔随后进组，他们终于有了动手把“脑洞”酿成现实的机会 。
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一开始，他们计划接纳传统化学反映自下而上的“垒砖块”要领“搭积木”，让C60分子逐个往里添加 。“我们实验过外貌催化、溶液自组装、光聚合等多种措施 。”最新发表论文第一作者侯凌翔回忆，“但这些都成了我们走过的‘弯路’ 。”
郑健分析，这是由于碳原子和碳原子连接成化学键的反映收率达不到100%，而且反映不行逆，也就是说，一个C60分子中一共有60个碳原子，想要让一个碳原子和相邻C60分子中的碳原子形成稳定连接，有太多种可能性 。那么，结果便是，C60分子不会凭据你设计的规律连接，那个想象中的“积木”总是歪歪扭扭，难以丈量它的尺寸和性质 。
为想措施让C60分子乖乖听话排好队，侯凌翔花了整整一年时间，制备了上百种样品，历经无数次失败 。
长达5年的不懈探索，他们终于找到一种看起来迂回的“战术”，用极其简单的要领攻克了难题 。
“我们发现了在常温常压的温和条件下就可以实现的‘聚合-剥离两步法’ 。首先通过掺杂金属镁将C60分子聚合起来，再通过有机阳离子切片计谋把金属镁去掉，最终得到单层聚合C60 。”郑健介绍 。
准六方聚合C60的单晶结构示意图（研究团队供图）
聚合发力，“碳家族”成就新质料
郑健乐成创制新型碳质料的背后是整个有机固体实验室的聚合发力 。在最新发表的论文中，单层聚合C60出炉后，他们还要对其种种参数进行丈量，深入研究其特点 。“这离不开化学所先进技术平台的支持，包罗单晶X射线衍射（XRD）和扫描透射电子显微镜（STEM）等 。”郑健体现，“多种表征丈量结果才气相互佐证我们得到的样品就是目标产物 。”
同时，丈量结果还发现，单层聚合C60是典型的半导体，并具有良好的热力学稳定性，在约326.85℃下仍旧稳定存在 。
不仅如此，化学所在碳质料领域有着深厚积淀 。据介绍，20世纪90年代初，在朱道本先生领导下，实验室在国内率先开展富勒烯研究，陆续取得丰硕结果 。中国科学院院士刘云圻是国内最早从事CVD生长石墨烯研究的团队之一，中国科学院院士李玉良首次乐成合成石墨炔，王春儒研究员在内嵌富勒烯领域取得领先成就 。
对此，郑健感恩：“站在前辈们的肩膀上，我们才会走得更远 。”
论文发表后很快得到国际碳质料领域的高度关注 。专家们相信，该质料在非线性光学和功效化电子器件方面具有巨大应用前景，在超导、量子计算、自旋输运、信息及能量存储、催化等领域也具有潜在的应用 。
论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-022-04771-5