根据中国科学技术大学发布的信息，该校朱彦武教授的研究团队通过在富勒烯C60分子晶体中实施电荷注入操作，在标准大气压环境下成功构建了C60聚合物晶体以及具有长程有序特性的多孔碳晶体，并且实现了这些材料的克级规模制备。这项重要研究成果已于1月12日刊登在国际权威学术期刊《自然》上。
朱彦武教授详细解释道，“我们研究获得的长程有序多孔碳晶体，在微观层面展现出多孔结构特征，同时完整保留了晶体的宏观周期性，这属于一种全新的人工合成碳晶体类型。这类晶体在未来的能源存储、离子筛分以及负载催化等领域展现出巨大的应用潜力。我们采用的电荷注入技术为制备这类碳基晶体材料提供了一种类似拼装乐高的创新方法，有望发展成为在原子层级上精确调控晶体结构的新途径。”
《自然》期刊的审稿专家评价称，“论文中呈现的研究成果令人信服，对晶体学和材料科学领域具有深远的影响。”
碳元素作为自然界中最普遍的元素之一，其原子可以通过不同的排列方式形成多种结构，例如我们日常生活中常见的石墨、金刚石和无定形碳等，这些材料已经在众多领域得到广泛应用。
近年来，富勒烯、纳米碳管、石墨烯和石墨炔等新型碳材料的发现与发展，引起了科学界的广泛关注和研究热潮。“如果我们能够在晶体结构中引入纳米尺寸的单元，例如使用富勒烯、石墨烯等作为基本结构单元来替代传统晶体中的原子，就像搭积木一样‘构建’出新型碳材料，可能会发现更多奇异特性，发挥更大的应用价值。”朱彦武教授表示。
在此之前，研究人员在制备这类新型碳材料时，要么需要依赖高温高压等极端条件，要么采用紫外光、电子束辐照等微观处理技术。但这些方法的产率较低且产物纯度不高，严重阻碍了人们对这类材料的性质与应用进行更深入的探索。
朱彦武团队长期致力于发展新型碳材料的规模化制备技术。早在2011年，朱彦武教授就开发出一种化学“活化”方法来“激活”石墨烯，成功将石墨烯片层重构为兼具高比表面积、高电导率和负曲率结构的“活化石墨烯”，这种材料作为超级电容器电极表现出卓越性能，相关研究成果曾发表在《科学》杂志上。
此后，团队进一步探索了“活化”方法的普适性，也曾尝试用于活化富勒烯C60分子。但研究发现该方法过于剧烈，会破坏C60分子的笼状结构，无法形成周期性的晶体结构。
在本次研究中，朱彦武团队创新性地使用氮化锂对富勒烯C60分子晶体进行电荷注入，并在温和的温度条件下进行热处理，最终成功制备了大量的C60聚合物晶体以及长程有序多孔碳晶体。
一个C60分子包含60个碳原子，要以其为结构单元获得新的碳结构，就必须让相邻分子之间形成稳定的连接，即一个C60分子中的部分碳原子与相邻分子中距离较近的部分碳原子形成共价键。
值得注意的是，团队通过基于机器学习和神经网络势函数的结构搜索结果进一步表明，长程有序多孔碳基晶体代表了一大类从富勒烯分子晶体到石墨类碳晶体转变过程中的亚稳态晶体结构。
朱彦武教授表示，“接下来，我们将系统地研究长程有序多孔碳基晶体的性质，期望通过精细调节实验参数进一步优化晶体的原子级结构特征，探索更多的性质和应用。”
（总台记者 王利）