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圖a：準六方聚合C60的單晶結(jié)構(gòu)示意圖。每個C60與周圍6個C60通過C-C共價鍵相連。圖b：單層聚合C60的掃描透射電子顯微鏡圖片，C60籠簇在圖中顯示為圓環(huán)。
人民網(wǎng)北京6月18日電 （記者趙竹青）記者從中國科學院獲悉，中國科學院化學研究所鄭健研究員團隊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。這種新型碳材料具有較高的結(jié)晶度和良好的熱力學穩(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的思路。該工作成果6月16日在國際學術(shù)期刊《自然》發(fā)布。
碳材料一直被認為是一種未來材料，甚至有的材料學家認為人類社會由現(xiàn)今的“硅基電子時代”邁入到未來的“碳基電子時代”。通過調(diào)節(jié)碳材料的帶隙，可以使其表現(xiàn)出迥異的電學性質(zhì)：如金屬、半導體和絕緣體，從而在晶體管、能源存儲器件、超導等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。碳材料的性能與其拓撲結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，因此，研究新的二維碳同素異形體，特別是具有帶隙的新型結(jié)構(gòu)，建立結(jié)構(gòu)與物性之間的關(guān)聯(lián)，具有重要意義。制備新型碳材料一直是材料領(lǐng)域的前沿科學問題，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)了材料學家的研究熱潮。
同一種元素構(gòu)成的物質(zhì)，由于原子排列不同，展現(xiàn)出不同的物理化學性質(zhì)，我們稱之為同素異形體。碳有多種同素異形體，包括：金剛石、石墨、富勒烯、碳納米管、石墨烯和石墨炔。
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。鄭健課題組近年來潛心研究，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)。
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率，這表明該材料在非線性光學和功能化電子器件方面具有巨大應(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)，該二維簇聚碳材料在超導、量子計算、自旋輸運、信息及能量存儲、催化等領(lǐng)域也具有潛在的應(yīng)用。
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