中国科学技术大学（以下简称中国科大）朱彦武教授研究团队通过对富勒烯C₆₀分子晶体进行电荷注入，在常压条件下构建了C₆₀聚合物晶体以及长程有序多孔碳晶体，并实现了其克量级制备。1月12日，研究成果发表于国际学术期刊《自然》。
中国科大朱彦武教授（一排中）研究团队部分成员合影
朱彦武介绍，“这里的长程有序多孔碳晶体，微观上具有多孔特征但完整保留了晶体的宏观周期性，是一类新的人工碳晶体，未来可能在能量存储、离子筛分、负载催化等领域具有潜在应用。电荷注入技术为构建这类碳基晶体材料提供了一种拼‘乐高’式的制备技术，有望成为在原子级精度上调控晶体结构的新手段。”
《自然》审稿人称，“论文中给出的结果令人信服，对晶体学和材料科学领域具有重要意义。”
碳是自然界最常见的元素之一，碳原子之间通过不同排列方式，能够形成多种结构，比如我们熟悉的石墨、金刚石和无定型碳，已经广泛应用于各个领域。
近年来，富勒烯、纳米碳管、石墨烯和石墨炔等新型碳材料的发现和发展，引起了广泛的关注与研究热潮。“如果我们可以在一个晶体结构中引入纳米单元，例如用富勒烯、石墨烯等作为基本结构单元代替普通晶体中的原子，像搭积木一样‘搭建’出新型碳材料，可能会发掘更多新奇性质，发挥更大应用潜力。”朱彦武说。
此前，对于制备这类新型碳材料，研究人员要么是利用高温高压等极限条件，要么是采用紫外光、电子束辐照等微观处理技术。但其产率较低、产物不纯，阻碍了人们对该类材料的性质与应用进行更深入探索。
朱彦武教授表示，电荷注入技术为构建这类碳基晶体材料提供了一种拼‘乐高’式的制备技术，有望成为在原子级精度上调控晶体结构的新手段。
朱彦武团队长期致力于发展新型碳材料的规模化制备技术。早在2011年，朱彦武就找到了一种化学“活化”的方式“激活”石墨烯，成功地将石墨烯片层重构成为兼具高比表面积、高电导率和负曲率结构的“活化石墨烯”，作为超级电容器电极材料表现出优异性能，该研究成果曾发表在《科学》上。
此后，团队进一步探索了“活化”方法的普适性，也曾用来活化富勒烯C₆₀分子。但发现该方法太过剧烈，破坏了C₆₀分子的笼状结构，无法得到周期性的晶体结构。
在此次研究中，朱彦武团队创造性地使用氮化锂对富勒烯C₆₀分子晶体进行电荷注入，并在温和温度下进行热处理，最终得到大量的C₆₀聚合物晶体以及长程有序多孔碳晶体。
一个C₆₀分子中有60个碳原子，想要以其为结构单元得到新的碳结构，就要让相邻分子之间形成稳定连接，即一个C₆₀分子中的部分碳原子与相邻分子中距离较近的那部分碳原子形成共价键。
“由于电子能级不同，电子会从氮化锂转移至C₆₀分子以实现电荷注入，这些额外的电荷会改变C₆₀分子的电子云分布，使得相邻分子之间容易形成共价键——发生加成反应，两个分子‘牵手’成功。”论文第一作者、中国科大特任副研究员潘飞说。
论文共同第一作者、中国科大特任副研究员倪堃说，“我们对C₆₀聚合物晶体和长程有序多孔碳晶体的形成机理进行了理论模拟。结果表明，电荷注入引起了富勒烯C₆₀分子间的电偶极矩相互作用，降低了反应过程中相邻C₆₀分子之间的加成反应势垒，使得反应更容易发生；进一步反应使得分子间连接部分转变为弯曲的连接结构，但在该反应过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，团队通过基于机器学习和神经网络势函数的结构搜索结果进一步表明，长程有序多孔碳基晶体代表了一大类从富勒烯分子晶体到石墨类碳晶体转变过程中的亚稳态晶体结构。
朱彦武表示，“接下来，我们将系统地研究长程有序多孔碳基晶体的性质，期望通过精细调节实验参数进一步调控晶体的原子级结构特征，探索更多的性质和应用。”
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05532-0
（原标题：《自然》| 我国科学家构建出新型三维碳晶体）
