我国学者在碳家族单晶新材料创制方面取得突破

图1 准六方二维聚合C₆₀的晶体结构

　　在国家自然科学基金项目（批准号：22175184、22105207）等资助下，中国科学院化学研究所郑健研究员课题组在常压的条件下创制了一种新型的碳同素异形体单晶——单层聚合C₆₀（图1）。相关研究成果以“单层富勒烯网络的合成（Synthesis of a monolayer fullerene network）”为题于2022年6月15日发表在《自然》（Nature）上，论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04771-5。该成果还受到同期Nature的亮点评述：https://www.nature.com/articles/d41586-022-01568-4。

　　碳是元素周期表中最多样化的元素之一，能以多种杂化方式成键获得独特的π电子共轭体系从而展现出优异的力、热、光、电等性能。碳材料的性能与其拓扑结构密切相关，因此研究新的二维碳同素异形体，特别是具有带隙的新型结构具有重要意义。制备新型碳材料一直是物质科学领域的前沿课题，以富勒烯、碳纳米管、石墨烯、石墨炔为代表的新型碳材料的每一次发现都引发研究热潮。由于缺乏有效、可靠的合成方法，使得新型碳材料的发现具有极大的挑战。

图2  聚合C₆₀的合成路线

　　郑健课题组开发了一种制备新型碳材料的合成策略（图2），成功制备了单层二维聚合C₆₀单晶，并获得了清晰的价键结构。通过调节镁（Mg）和C₆₀的比例，在常压条件下制得了两种紧密排列的准六方相和准四方相的Mg插层聚合物单晶。通过有机阳离子切片策略，使用四丁基水杨酸铵作为切割试剂，从准六方相结构中剥离得到单层C₆₀聚合物。单晶X射线衍射和扫描隧道电子显微镜表征结果表明C₆₀之间通过碳-碳桥连单键和[2+2]环加成的四元环桥连键，在平面内连接形成了一种全新的二维拓扑超结构。该研究为碳材料家族再添一名新成员，这种利用零维团簇代替碳原子构筑二维拓扑结构的方法，为新型碳材料的探索提供了新的思路。

　　单层聚合C₆₀的带隙约为1.6 eV，是典型的半导体，预示着其在光/电半导体器件中具有广阔的应用前景。由于不对称成键结构，这种新的碳材料具有显著的面内各向异性等优异特性，有望应用于非线性光学和功能化电子器件领域。其独特的共轭结构、晶格和多孔骨架结构，使得该二维簇聚碳材料在超导、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。