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1月12日，中國科大一項新的研究成果發表于國際學術期刊《自然》。近日，中國科學技術大學朱彥武教授研究團隊通過對富勒烯碳60分子（一種由60個碳原子結合形成的穩定分子）晶體進行電荷注入，在常壓條件下構建了碳60聚合物晶體以及長程有序多孔碳晶體，并實現了其克量級制備。其中的長程有序多孔碳晶體是一類新的人工碳晶體，未來可能在能量存儲、離子篩分、負載催化等領域具有潛在應用。
新型碳材料研究有良好應用前景
碳是自然界最常見的元素之一，碳原子之間通過不同排列方式，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，已經廣泛應用于各個領域。
近年來，富勒烯、納米碳管、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納米單元，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，對于制備這類新型碳材料，研究人員要么是利用高溫高壓等極限條件，要么是采用紫外光、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于發展新型碳材料的規模化制備技術。早在2011年，朱彥武就找到了一種化學“活化”的方式“激活”石墨烯，成功地將石墨烯片層重構成為兼具高比表面積、高電導率和負曲率結構的“活化石墨烯”，作為超級電容器電極材料表現出優異性能，該研究成果曾發表在《科學》上。
此后，團隊進一步探索了“活化”方法的普適性，也曾用來活化富勒烯碳60分子。但發現該方法太過劇烈，破壞了碳60分子的籠狀結構，無法得到周期性的晶體結構。
構建出新碳晶體將探索更多性質和應用
在此次研究中，朱彥武團隊創造性地使用氮化鋰對富勒烯碳60分子晶體進行電荷注入，并在溫和溫度下進行熱處理，最終得到大量的碳60聚合物晶體以及長程有序多孔碳晶體。
朱彥武介紹，這里的長程有序多孔碳晶體，微觀上具有多孔特征但完整保留了晶體的宏觀周期性，是一類新的人工碳晶體，未來可能在能量存儲、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”式的制備技術，有望成為在原子級精度上調控晶體結構的新手段。
北京時間1月12日凌晨，此研究相關成果發表于國際學術期刊《自然》。《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。”
朱彥武表示，接下來，科研團隊將系統地研究長程有序多孔碳基晶體的性質，期望通過精細調節實驗參數進一步調控晶體的原子級結構特征，探索更多的性質和應用。
合報科學+融媒體工作室
合肥通客戶端-合報全媒體記者 劉暢司晨