《自然》：中國科大構建出新型人工碳晶體

中國科學技術大學（以下簡稱中國科大）朱彥武教授研究團隊透過對富勒烯C60分子晶體進行電荷注入，在常壓條件下構建了C60聚合物晶體以及長程有序多孔碳晶體，並實現了其克量級製備。1月12日，研究成果發表於國際學術期刊《自然》。

朱彥武介紹，“這裡的長程有序多孔碳晶體，微觀上具有多孔特徵但完整保留了晶體的宏觀週期性，是一類新的人工碳晶體，未來可能在能量儲存、離子篩分、負載催化等領域具有潛在應用。電荷注入技術為構建這類碳基晶體材料提供了一種拼‘樂高’式的製備技術，有望成為在原子級精度上調控晶體結構的新手段。”

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

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

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

此前，對於製備這類新型碳材料，研究人員要麼是利用高溫高壓等極限條件，要麼是採用紫外光、電子束輻照等微觀處理技術。但其產率較低、產物不純，阻礙了人們對該類材料的性質與應用進行更深入探索。

朱彥武團隊長期致力於發展新型碳材料的規模化製備技術。在此次研究中，他們創造性地使用氮化鋰對富勒烯C60分子晶體進行電荷注入，並在溫和溫度下進行熱處理，最終得到大量的C60聚合物晶體以及長程有序多孔碳晶體。

▲中國科大朱彥武教授（一排中）研究團隊部分成員合影（代蕊/攝）

一個C60分子中有60個碳原子，想要以其為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線，即一個C60分子中的部分碳原子與相鄰分子中距離較近的那部分碳原子形成共價鍵。

“由於電子能級不同，電子會從氮化鋰轉移至C60分子以實現電荷注入，這些額外的電荷會改變C60分子的電子雲分佈，使得相鄰分子之間容易形成共價鍵——發生加成反應，兩個分子‘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，“我們對C60聚合物晶體和長程有序多孔碳晶體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線部分轉變為彎曲的連線結構，但在該反應過程中部分破碎的富勒烯C60分子仍保持良好的週期性排列。”

值得注意的是，團隊透過基於機器學習和神經網路勢函式的結構搜尋結果進一步表明，

長程有序多孔碳基晶體代表了一大類從富勒烯分子晶體到石墨類碳晶體轉變過程中的亞穩態晶體結構

。

朱彥武表示，“接下來，我們將系統地研究長程有序多孔碳基晶體的性質，期望透過精細調節實驗引數進一步調控晶體的原子級結構特徵，探索更多的性質和應用。”

作者：許琦敏

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