記者從(cong) 中國科學技術大學獲悉，該校朱彥武教授研究團隊通過對富勒烯C60分子晶體(ti) 進行電荷注入，在常壓條件下構建了C60聚合物晶體(ti) 以及長程有序多孔碳晶體(ti) ，並實現了其克量級製備。1月12日，研究成果發表於(yu) 國際學術期刊《自然》。

　　朱彥武教授介紹，“這裏的長程有序多孔碳晶體(ti) ，微觀上具有多孔特征但完整保留了晶體(ti) 的宏觀周期性，是一類新的人工碳晶體(ti) ，未來可能在能量存儲(chu) 、離子篩分、負載催化等領域具有潛在應用。電荷注入技術為(wei) 構建這類碳基晶體(ti) 材料提供了一種拚‘樂(le) 高’式的製備技術，有望成為(wei) 在原子級精度上調控晶體(ti) 結構的新手段。”

　　《自然》審稿人稱，“論文中給出的結果令人信服，對晶體(ti) 學和材料科學領域具有重要意義(yi) 。”

　　碳是自然界最常見的元素之一，碳原子之間通過不同排列方式，能夠形成多種結構，比如我們(men) 熟悉的石墨、金剛石和無定型碳，已經廣泛應用於(yu) 各個(ge) 領域。

　　近年來，富勒烯、納米碳管、石墨烯和石墨炔等新型碳材料的發現和發展，引起了廣泛的關(guan) 注與(yu) 研究熱潮。“如果我們(men) 可以在一個(ge) 晶體(ti) 結構中引入納米單元，例如用富勒烯、石墨烯等作為(wei) 基本結構單元代替普通晶體(ti) 中的原子，像搭積木一樣‘搭建’出新型碳材料，可能會(hui) 發掘更多新奇性質，發揮更大應用潛力。”朱彥武說。

　　此前，對於(yu) 製備這類新型碳材料，研究人員要麽(me) 是利用高溫高壓等極限條件，要麽(me) 是采用紫外光、電子束輻照等微觀處理技術。但其產(chan) 率較低、產(chan) 物不純，阻礙了人們(men) 對該類材料的性質與(yu) 應用進行更深入探索。

　　朱彥武團隊長期致力於(yu) 發展新型碳材料的規模化製備技術。早在2011年，朱彥武就找到了一種化學“活化”的方式“激活”石墨烯，成功地將石墨烯片層重構成為(wei) 兼具高比表麵積、高電導率和負曲率結構的“活化石墨烯”，作為(wei) 超級電容器電極材料表現出優(you) 異性能，該研究成果曾發表在《科學》上。

　　此後，團隊進一步探索了“活化”方法的普適性，也曾用來活化富勒烯C60分子。但發現該方法太過劇烈，破壞了C60分子的籠狀結構，無法得到周期性的晶體(ti) 結構。

　　在此次研究中，朱彥武團隊創造性地使用氮化鋰對富勒烯C60分子晶體(ti) 進行電荷注入，並在溫和溫度下進行熱處理，最終得到大量的C60聚合物晶體(ti) 以及長程有序多孔碳晶體(ti) 。

　　一個(ge) C60分子中有60個(ge) 碳原子，想要以其為(wei) 結構單元得到新的碳結構，就要讓相鄰分子之間形成穩定連接，即一個(ge) C60分子中的部分碳原子與(yu) 相鄰分子中距離較近的那部分碳原子形成共價(jia) 鍵。

　　“由於(yu) 電子能級不同，電子會(hui) 從(cong) 氮化鋰轉移至C60分子以實現電荷注入，這些額外的電荷會(hui) 改變C60分子的電子雲(yun) 分布，使得相鄰分子之間容易形成共價(jia) 鍵——發生加成反應，兩(liang) 個(ge) 分子‘牽手’成功。”論文第一作者、中國科大特任副研究員潘飛說。

　　論文共同第一作者、中國科大特任副研究員倪堃說，“我們(men) 對C60聚合物晶體(ti) 和長程有序多孔碳晶體(ti) 的形成機理進行了理論模擬。結果表明，電荷注入引起了富勒烯C60分子間的電偶極矩相互作用，降低了反應過程中相鄰C60分子之間的加成反應勢壘，使得反應更容易發生；進一步反應使得分子間連接部分轉變為(wei) 彎曲的連接結構，但在該反應過程中部分破碎的富勒烯C60分子仍保持良好的周期性排列。”

　　值得注意的是，團隊通過基於(yu) 機器學習(xi) 和神經網絡勢函數的結構搜索結果進一步表明，長程有序多孔碳基晶體(ti) 代表了一大類從(cong) 富勒烯分子晶體(ti) 到石墨類碳晶體(ti) 轉變過程中的亞(ya) 穩態晶體(ti) 結構。

　　朱彥武表示，“接下來，我們(men) 將係統地研究長程有序多孔碳基晶體(ti) 的性質，期望通過精細調節實驗參數進一步調控晶體(ti) 的原子級結構特征，探索更多的性質和應用。”