发展新的材料和新的结构，是材料科学领域的科研工作者的主要任务之一。近年来，探索更多新型碳晶体材料，并实现其基本性质和应用性能的理性设计，是该领域研究人员的重要研究方向。
近期，中国科学技术大学团队采用电荷注入的技术，将 α-氮化锂和碳 60 粉末混合并在中等温度条件下加热，成功制备出了克量级的长程有序多孔碳（long-range ordered porous carbon，LOPC）。
图丨结构特征与表征数据（来源：Nature）
“这是一种之前没有被报道过的新型碳晶体材料。”中国科学技术大学朱彦武教授表示，“从初步性质测量结果上看，LOPC 作为由碳 60 分子组成的三维周期性晶体，同时受到碳 60 分子的低维特性和晶体的有序特征带来的影响，其电子性质在一个很宽的范围内可进行调控。”
材料的应用与其结构和性质息息相关。未来该团队计划对 LOPC 进一步进行高精度调节，使其在半导体、电子器件、光电探测，以及能源存储和能量转化等方面得到应用。
图丨朱彦武（来源：朱彦武）
2023 年 1 月 11 日，相关论文以《由 C60 生产的长程有序多孔碳》（Long-range ordered porous carbons produced from C60）为题发表在 Nature 上 [1]。
图丨相关论文（来源：Nature）
中国科学技术大学潘飞特任副研究员、倪堃特任副研究员和东南大学徐涛副教授为该论文的共同第一作者，韩国基础科学研究所罗德尼·S·罗夫（Rodney. S. Ruoff）教授和中国科学技术大学朱彦武教授为该论文的共同通讯作者。
据朱彦武介绍，该研究持续了超过十年的时间，主要工作在最近三四年里集中进行。“如果从对这个方向的思考算起，我们其实从 2011 年就开始了。”他说。
正是在那年，他和罗夫团队在 Science 上发表了一篇论文，报道了通过化学活化方法，将石墨烯重构成了一种具有三维网络结构特征的多孔碳材料 [2]。当时，罗夫教授在美国德克萨斯大学奥斯汀分校，朱彦武还是他的一名博士后。
“那时候我就设想，如果这个初始材料不是石墨烯，而是富勒烯或碳纳米管等其他的纳米单元，把它们连在一起，应该也可以得到更新的、甚至可能具有周期性的非常有序的三维碳材料。”朱彦武表示。
回国开展独立研究之后，朱彦武团队就开始朝着这个目标前进。一开始，他们仍然采用化学活化方法，却发现该方法过于“剧烈”，很容易破坏 60 个碳原子组成的结构，甚至将其剪切成很小的量子点。这让他们感到十分苦恼。
“我们又尝试了很多种方法，一直没有找到既能保持碳 60 的分子结构基本不变，又能将它们连到一起的方法。”他说，“这个难题的科学本质在于，我们需要一种更高精度的制备手段，实现对差异微小的热力学状态分辨和动力学状态的控制。”
于是，研究进入到暂时的停滞状态。直到三年前，研究组潘飞博士在开展另一项研究时，发现电荷注入技术有可能帮助他们实现目标。
经过实验，他们发现该技术相较于活化的“大火快煮”，更加接近“文火慢炖”，利用一种细致温柔的相互作用，将碳 60 分子连在一起。此后的研究中，经过对多种参数的摸索，他们得到了 LOPC 这种新的晶体结构。
那么，这项电荷注入技术还有其他什么优势呢？
很多年前科学家们就发现，将富勒烯堆积在一起，并给它施加一定的温度和压力，就可以促成分子间的连接，得到新型的碳材料。但通过这种方式得到的样品量非常少，结构也不均匀，还可能含有杂质，给系统探索该类新型碳材料的结构和应用带来了阻碍。
“而电荷注入技术是一种化学制备方法，能够实现碳晶体材料的大量制备，这有利于我们对它进行详细研究，并探索它能在哪些方面获得应用，进而促进该方向的发展。”朱彦武解释说。
由于 LOPC 是由纯的碳原子构成的，而碳的原子序数比较小，并且是三维结构，因此确认其原子级别精度的结构细节极具挑战性，该团队几乎考虑了所有能接触得到的结构表征技术。
图丨微观结构表征（来源：Nature）
为了解决结构表征难题，他们先在东南大学孙立涛教授课题组的帮助下，使用球差矫正的高分辨透射电子显微镜进行观察，后又通过当时尚处于试运行阶段的、位于广东东莞的中国散裂中子源装置观察了样品，并得到了非常有用的数据。
“这些数据和其他数据合在一起，构成了相对完整的证据链，帮助我们对晶体中的原子结构特征获得了更加清晰的认识。”朱彦武说。
从理论上看，通过富勒烯分子得到的晶体结构具有非常多的可能性。通过计算机模拟和计算，该团队搜索出了几十万种结构。
他表示：“因为碳 60 之间的连接方式有太多的可能性，所以需要通过对照理论计算出来的模型特征，找出和实验结果符合得最好的结构。”
但利用人工从数十万个计算的结构中筛选出目标结构显然非常困难，于是该团队的倪堃博士发展了一些特别的筛选算法，能按照一定的筛选原则，将这几十万种结构进行分类，并通过细化，最终给出了最为接近的原子结构细节特征。
“对于该项研究来说，我们不仅仅提出方法并制备出了材料，更重要的是掌握了从富勒烯开始得到三维晶体材料的结构演化特征，并了解到在这个演化路径上还有非常多其他有趣的新型结构存在。希望我们取得的进展，能够帮助碳材料领域的其他研究人员拓宽思路，获得更多新型碳材料，并发现更多有趣的性质和有价值的应用。”朱彦武最后说。
参考资料：
1. Pan, F., Ni, K., Xu, T. et al. Long-range ordered porous carbons produced from C60. Nature 614, 95–101 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05532-0
2.Zhu Y., Murali S., Stoller M. et al. Carbon-Based Supercapacitors Produced by Activation of Graphene. Science 332 , 6037, 1537-1541(2011). https://www.science.org/doi/10.1126/science.1200770
排版：罗以