1月12日，中國(guó)散裂中子源（CSNS）用戶中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院材料科學(xué)與工程系、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心朱彥武教授團(tuán)隊(duì)在《Nature》雜志上發(fā)表題為“Long-Range Ordered Porous Carbons Produced from C60”的研究論文，報(bào)道了在常壓條件下通過(guò)化學(xué)電荷注入技術(shù)，將富勒烯C60分子晶體轉(zhuǎn)變?yōu)榫酆衔锞w和長(zhǎng)程有序多孔碳（LOPC）晶體的重要進(jìn)展， CSNS多物理譜儀（MPI）團(tuán)隊(duì)陳懷燦、殷雯是該論文的共同作者。
LOPC晶體是由C60分子之間通過(guò)共價(jià)鍵連接而成的新型人工碳晶體，既具有多孔特性又保留了C60分子晶體的長(zhǎng)程有序特征。
朱彥武教授團(tuán)隊(duì)與CSNS多物理譜儀合作，在CSNS多物理譜儀通過(guò)中子對(duì)分布函數(shù)技術(shù)(PDF)對(duì)系列樣品進(jìn)行了表征與研究，精確揭示了富勒烯C60分子晶體、LOPC晶體和聚合物晶體精細(xì)結(jié)構(gòu)，為面心立方堆積的C60分子晶體轉(zhuǎn)變?yōu)榫酆衔锞w和LOPC晶體過(guò)程中結(jié)構(gòu)的演化提供了真實(shí)有力的關(guān)鍵證據(jù)之一（圖1）。
（圖1）在CSNS的多物理譜儀獲得的富勒烯C60分子晶體、
LOPC晶體和聚合物晶體的中子PDF數(shù)據(jù)
碳材料（富勒烯C60、石墨烯等）具有獨(dú)特的電子云結(jié)構(gòu)，X射線難以成功表征此類(lèi)型材料的真實(shí)原子結(jié)構(gòu)，中子直接與原子核發(fā)生相互作用的全散射信息可為此種材料的結(jié)構(gòu)表征提供最真實(shí)有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。本研究中，多物理譜儀高的實(shí)空間分辨率為新型碳材料的結(jié)構(gòu)確認(rèn)提供了真實(shí)可靠的重要支撐。
多物理譜儀是中國(guó)散裂中子源、東莞理工學(xué)院和香港城市大學(xué)合作建設(shè)的首臺(tái)合作譜儀，也是國(guó)內(nèi)唯一的中子全散射譜儀。自2021年開(kāi)放運(yùn)行以來(lái)，已經(jīng)順利完成百多項(xiàng)用戶課題研究，多項(xiàng)用戶實(shí)驗(yàn)成果已在Nature、Nature Sustainability、Nature Communication、Advanced Materials等期刊發(fā)表。
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根據(jù)央視報(bào)道，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)朱彥武教授研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)富勒烯C60分子晶體進(jìn)行電荷注入，在常壓條件下構(gòu)建了C60聚合物晶體以及長(zhǎng)程有序多孔碳晶體，并實(shí)現(xiàn)了其克量級(jí)制備。1月12日，研究成果發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》。
朱彥武教授介紹，“這里的長(zhǎng)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(lèi)新的人工碳晶體，未來(lái)可能在能量存儲(chǔ)、離子篩分、負(fù)載催化等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用。電荷注入技術(shù)為構(gòu)建這類(lèi)碳基晶體材料提供了一種拼‘樂(lè)高’式的制備技術(shù)，有望成為在原子級(jí)精度上調(diào)控晶體結(jié)構(gòu)的新手段?！?/p>
《自然》審稿人稱(chēng)，“論文中給出的結(jié)果令人信服，對(duì)晶體學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域具有重要意義?！?/p>
碳是自然界最常見(jiàn)的元素之一，碳原子之間通過(guò)不同排列方式，能夠形成多種結(jié)構(gòu)，比如我們熟悉的石墨、金剛石和無(wú)定型碳，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。
近年來(lái)，富勒烯、納米碳管、石墨烯和石墨炔等新型碳材料的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展，引起了廣泛的關(guān)注與研究熱潮?！叭绻覀兛梢栽谝粋€(gè)晶體結(jié)構(gòu)中引入納米單元，例如用富勒烯、石墨烯等作為基本結(jié)構(gòu)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(huì)發(fā)掘更多新奇性質(zhì)，發(fā)揮更大應(yīng)用潛力。”朱彥武說(shuō)。
此前，對(duì)于制備這類(lèi)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(shù)。但其產(chǎn)率較低、產(chǎn)物不純，阻礙了人們對(duì)該類(lèi)材料的性質(zhì)與應(yīng)用進(jìn)行更深入探索。
朱彥武團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于發(fā)展新型碳材料的規(guī)模化制備技術(shù)。早在2011年，朱彥武就找到了一種化學(xué)“活化”的方式“激活”石墨烯，成功地將石墨烯片層重構(gòu)成為兼具高比表面積、高電導(dǎo)率和負(fù)曲率結(jié)構(gòu)的“活化石墨烯”，作為超級(jí)電容器電極材料表現(xiàn)出優(yōu)異性能，該研究成果曾發(fā)表在《科學(xué)》上。
此后，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探索了“活化”方法的普適性，也曾用來(lái)活化富勒烯C60分子。但發(fā)現(xiàn)該方法太過(guò)劇烈，破壞了C60分子的籠狀結(jié)構(gòu)，無(wú)法得到周期性的晶體結(jié)構(gòu)。
在此次研究中，朱彥武團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地使用氮化鋰對(duì)富勒烯C60分子晶體進(jìn)行電荷注入，并在溫和溫度下進(jìn)行熱處理，最終得到大量的C60聚合物晶體以及長(zhǎng)程有序多孔碳晶體。
一個(gè)C60分子中有60個(gè)碳原子，想要以其為結(jié)構(gòu)單元得到新的碳結(jié)構(gòu)，就要讓相鄰分子之間形成穩(wěn)定連接，即一個(gè)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(jià)鍵。
“由于電子能級(jí)不同，電子會(huì)從氮化鋰轉(zhuǎn)移至C60分子以實(shí)現(xiàn)電荷注入，這些額外的電荷會(huì)改變C60分子的電子云分布，使得相鄰分子之間容易形成共價(jià)鍵——發(fā)生加成反應(yīng)，兩個(gè)分子‘牽手’成功?！闭撐牡谝蛔髡?、中國(guó)科大特任副研究員潘飛說(shuō)。
論文共同第一作者、中國(guó)科大特任副研究員倪堃說(shuō)，“我們對(duì)C60聚合物晶體和長(zhǎng)程有序多孔碳晶體的形成機(jī)理進(jìn)行了理論模擬。結(jié)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(yīng)過(guò)程中相鄰C60分子之間的加成反應(yīng)勢(shì)壘，使得反應(yīng)更容易發(fā)生；進(jìn)一步反應(yīng)使得分子間連接部分轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢倪B接結(jié)構(gòu)，但在該反應(yīng)過(guò)程中部分破碎的富勒烯C60分子仍保持良好的周期性排列?！?/p>
值得注意的是，團(tuán)隊(duì)通過(guò)基于機(jī)器學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)勢(shì)函數(shù)的結(jié)構(gòu)搜索結(jié)果進(jìn)一步表明，長(zhǎng)程有序多孔碳基晶體代表了一大類(lèi)從富勒烯分子晶體到石墨類(lèi)碳晶體轉(zhuǎn)變過(guò)程中的亞穩(wěn)態(tài)晶體結(jié)構(gòu)。
朱彥武表示，“接下來(lái)，我們將系統(tǒng)地研究長(zhǎng)程有序多孔碳基晶體的性質(zhì)，期望通過(guò)精細(xì)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)一步調(diào)控晶體的原子級(jí)結(jié)構(gòu)特征，探索更多的性質(zhì)和應(yīng)用?！?/p>