中国科学院化学研究所研究员郑健团队以富勒烯为基本单位，运用巧妙的实验方法，创制出一种新型碳同素异形体单晶——单层聚合碳60，并得到了确定的晶体价键结构。这种新材料在常压下通过简单的反应条件即可制备，未来有望应用于半导体、超导、量子计算等领域。6月16日，相关研究成果刊发在《自然》杂志。
图a：准六方聚合C60的单晶结构示意图。每个C60与周围6个C60通过C-C共价键相连。图b：单层聚合C60的STEM图片，C60笼簇在STEM图片中显示为圆环。
同一种元素构成的物质，由于原子排列不同，会展现出不同的物理、化学性质，即同素异形体。碳元素可与包括自身在内的几乎所有元素形成结构丰富的碳网络，金刚石、石墨、富勒烯、石墨烯、石墨炔等，都是碳的同素异形体。
“碳是最多样神奇的材料，它可以从最软到最硬，从绝缘到超导，蕴含着无限可能。”郑健说，探索新的碳材料一直是材料化学的经典挑战，此前，科学家大多以碳原子为基本单位，进行碳材料的平面结构构筑。而使用被称为“人造原子”的纳米团簇来“盖大楼”，构筑出更高级的二维拓扑结构，一直未能实现。
郑健的目标便是突破这一难题。读研究生时，郑健就参与了石墨烯的科研工作，“当时能接触到的所有碳材料都是国外的，我就在想，什么时候能做一个我们自己的材料”。于是，他将目光放在了碳原子的纳米团簇之一——富勒烯，希望将其作为“砖块”，创造出新的碳材料。
“一个富勒烯上有60个碳原子，整体是个足球的形状，所以也叫‘足球烯’。在制备新材料的过程中，要让每个碳原子按我们的意志乖乖‘听话’，实现大范围的连接，是个很大的挑战。”谈起研发过程，郑健说，仅是方案的构思和探索，团队就用了5年时间。一个“砖块”放错位置，或一处共价键连接有误，整体的结构就会变为无序状态。
传统的“垒砖块”、表面催化等方法都行不通，科研团队便发挥想象力，运用“迂回战术”，先在晶体制备过程中掺入离子，聚合后再去掉离子，终于得到了结构稳定的新材料。这种方法在常压下使用简单的反应条件即可完成，郑健和团队进行了上百次单晶结构测试，得到了确凿的结构，摸索出有效参数，终于做出了我国原创的新型碳材料——单层二维聚合碳60单晶，并确认了它在原子层面的连接方式。
这是继石墨烯、石墨炔后又一种稳定的碳材料，已实现常温稳定保存2年以上，在超过300摄氏度的高温下仍能稳定存在。新材料的带隙与单晶硅接近，未来有望用作半导体材料，其独特的共轭碳结构、巨大的晶格，在超导、量子计算、信息及能量存储等领域也具有潜在的应用价值。