文|陈根

碳是地球上极为重要的元素之一,它以多种形式广泛存在于大气、地壳和生物中。世界上的多数重要化合物,都离不开碳元素的身影,比如氨基酸是以碳元素为基础的碳链,DNA的组成单位脱氧核苷酸,也是长长的碳链。可以说,碳能够与自身或者几乎所有元素以多种杂化方式成键,获得结构丰富的碳网络。

碳的原子序数为6,但是拥有的同位素多达十五种(碳8～碳22)。由于原子排列不同,能够展现出不同的物理化学性质,这些材料被称为碳的同素异形体,比如金刚石、石墨烯、纤维碳、富勒烯、碳纳米管等等。此外,碳材料的性能与其拓扑结构密切相关,研究新的二维碳同素异形体,特别是具有带隙的新型结构,一直是材料领域的前沿问题。

近日,我国中科院的研究人员,在常压下通过简单的反应条件,创制了一种新型碳同素异形体单晶——“单层聚合C60”。该材料具有较高的结晶度和良好的热力学稳定性,未来或可为碳材料的研究提供了全新的思路。

具体来说,研究人员利用C60分子替代碳原子作为基础单元,在常温常压的条件下,通过掺杂金属镁将C60分子聚合起来,再通过有机阳离子切片策略把金属镁去掉,最终得到单层聚合C60。

研究团队进一步利用单晶X射线衍射(XRD)和扫描透射电子显微镜(STEM)对该单层碳60聚合物进行结构表征。结果显示,该材料形成了一种全新的二维拓扑超结构。该结构具有良好的热力学稳定性,在约600开尔文(326．85摄氏度)下仍旧稳定存在。

并且,由于不对称成键结构,单层聚合碳60中每个碳60单元被拉伸成方向一致的椭球形,从而使得这种新的碳材料具有显著的平面各向异性。这就表明,该碳家族单晶新材料以后可以在非线性光学和功能化电子器件方面实现新应用。

值得一提的是,该材料带隙约为1．6电子伏特(eV),是典型的半导体,未来在半导体、量子计算、信息存储、催化等领域或能起到重要作用。