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【環(huán)球網(wǎng)科技綜合報道】6月20日消息，記者從中科院官網(wǎng)了解到，近日，中國科學(xué)院化學(xué)研究所研究員鄭健團隊在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）上發(fā)表了題為Synthesis of a monolayer fullerene network 的新成果。該工作在常壓下通過簡單的反應(yīng)條件，創(chuàng)制了一種新型碳同素異形體單晶——單層聚合C60。這是一種全新的簇聚二維超結(jié)構(gòu)，由 C60簇籠在平面上通過C-C鍵相互共價鍵合形成規(guī)則的拓撲結(jié)構(gòu)。這種新型碳材料具有較高的結(jié)晶度和良好的熱力學(xué)穩(wěn)定性，并具有適度的禁帶寬度，為碳材料的研究提供了全新思路。

據(jù)介紹，制備新型碳材料一直是材料領(lǐng)域的前沿科學(xué)問題，以富勒烯、碳納米管、石墨烯、石墨炔為代表的新型碳材料的每一次發(fā)現(xiàn)都引發(fā)了材料學(xué)家的研究熱潮。 ?

迄今為止構(gòu)筑二維材料的最小單元是單個原子，被稱為人造原子的納米團簇作為基本單元構(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。鄭健課題組歷時5年，利用摻雜聚合-剝離兩步法，成功制備了單層二維聚合C60單晶，獲得了確鑿的價鍵結(jié)構(gòu)。

通過調(diào)節(jié)鎂（Mg）和C60的比例，他們在常壓條件下制得了兩種緊密排列的準六方相和準四方相的Mg插層聚合物單晶，通過新的有機陽離子切片策略，使用四丁基水楊酸銨作為切割試劑，從準六方相結(jié)構(gòu)中剝離得到單層C60聚合物。研究人員利用單晶X射線衍射（XRD）和掃描透射電子顯微鏡（STEM）對該單層C60聚合物進行了結(jié)構(gòu)表征，結(jié)果顯示C60之間通過C-C橋連單鍵和[2+2]環(huán)加成的四元環(huán)橋連鍵在平面內(nèi)連接形成了一種全新的二維拓撲超結(jié)構(gòu)。單層聚合C60的帶隙約為1.6 eV，是典型的半導(dǎo)體，預(yù)示其在光/電半導(dǎo)體器件中具有潛在應(yīng)用。此外，該結(jié)構(gòu)具有良好的熱力學(xué)穩(wěn)定性，在約600K（326.85℃）下仍舊穩(wěn)定存在。

由于不對稱成鍵結(jié)構(gòu)，單層聚合C60中每個C60單元被拉伸成方向一致的橢球形，從而使得這種新的碳材料具有顯著的平面各向異性，如各向異性聲子模式和電導(dǎo)率，這意味著該材料在非線性光學(xué)和功能化電子器件方面可能具有應(yīng)用前景。此外，由于其獨特的共軛碳結(jié)構(gòu)、巨大的超晶格和多孔骨架結(jié)構(gòu)，該二維簇聚碳材料或在超導(dǎo)、量子計算、自旋輸運、信息及能量存儲、催化等領(lǐng)域也具有潛在應(yīng)用價值。