碳材料家族新成員“中國造”

■記者 甘曉 見習記者 嚴濤

金剛石、石墨烯、碳奈米管、富勒烯……碳材料擁有龐大的家族成員，一直深深吸引著化學家和材料學家。然而，此前幾乎所有風靡全球的碳材料，都由國外學者開創和引領。

“這是我們中國人自己做的碳材料——石墨炔。”近日，在位於中國科學院化學研究所（以下簡稱化學所）的實驗室裡，中科院院士、中科院化學研究所研究員李玉良晃了晃手裡的小瓶子向記者介紹道。瓶子裡的黑色粉末發出輕微的沙沙聲。

多年來，在李玉良帶領下，二維碳石墨炔研究集體在該領域默默耕耘，在國際上首次利用化學合成方法獲得碳材料家族新成員——石墨炔，開拓了碳材料新領域，在國際上產生重要影響，並一直引領該領域的發展。

近日，李玉良和他的團隊獲得2021年度中科院傑出科技成就獎。接受《中國科學報》採訪時，他表示：“我們在碳材料領域耕耘20多年，一直堅持初心，希望做出中國人自己的碳材料，讓別人來跟著我們做。”

不甘跟蹤 瞄準全新碳材料

柔軟的鉛筆芯和堅硬的金剛石實際上是同一種物質——碳，它們被稱為碳的“同素異形體”。也就是說，同樣都是碳原子，只要微觀上原子與原子之間有不同的鍵合方式就可以產生不同的結構，宏觀上就會呈現出完全不同的性質。化學家用“雜化”來區分這樣的鍵合方式。碳原子就有sp3、sp2和sp三種雜化方式，其中sp3雜化形成金剛石，sp2雜化形成石墨、富勒烯、碳奈米管和石墨烯等。

早在20世紀70年代後期，李玉良就開始了碳材料的研究，探索製備高聚物全碳小球的方法。20世紀80年代後期，富勒烯的發現引起廣泛關注，化學所的科研人員在朱道本院士帶領下開展了富勒烯相關研究。李玉良更加沉浸在碳材料的世界裡。

1998年前後，李玉良萌生出做一種全新碳材料的想法。“當時，自然界已存在的碳同素異形體中，唯獨sp雜化的碳材料仍停留在理論上，自然界中並不存在。”李玉良表示。

同時，李玉良告訴研究團隊：“應該做我們中國人自己的碳材料。”20世紀80年代到90年代，在國外工作和參加學術會議期間，李玉良深深感受到中國學者在國際上學術地位較低，其根本原因在於當時中國原創性成果較少、科學研究的引領性不強。“就拿碳材料來說，石墨烯、碳奈米管、富勒烯，都是外國學者開創的。”他回憶道。

從那時起，他和團隊就以做具有中國“標籤”的碳材料為追求。“都說做基礎研究是‘坐冷板凳’，是辛苦的，但這是做科研必須面對的。”李玉良告訴《中國科學報》，“相比起辛苦，我更擔心陷入一種苦惱，苦惱於短短几十年的科研生涯只能跟在人家後面做研究。”

不懼失敗 十餘年堅持積累

事實上，剛開始產生製備全新碳材料的想法時，研究團隊有些迷茫，因為透過合成化學方法獲得新結構的全碳材料在國際上並無先例。

一次學術會議上與物理學家的討論給李玉良帶來啟發。話題是由富勒烯引發的，與會專家對這種球形材料充滿期待。一些物理學家認為，想要在物理上解決問題，還得靠平面薄膜材料。“有一位物理學家和我討論，如果用化學方法，能不能做出一種類似開啟富勒烯球形結構而形成的全碳平面材料。”李玉良回憶道。

李玉良和團隊受到啟發，回到實驗室開始嘗試。不過，最初的嘗試以失敗告終。“我們用傳統的化學方法去合成，合成到十幾個碳原子時，由於表面張力太大，難以控制合成過程。”

與此同時，相對落後的碳材料表徵技術也成為最大的掣肘。研究人員用低倍的電子顯微鏡去觀察實驗做出來的碳材料，全是黑乎乎的一片，更不用說原子級的解析度了。不過，在那個時期也沒有其他更為先進的結構表徵手段。

很長一段時間裡，李玉良帶著團隊成員做做停停，進展緩慢。不過，一次又一次的失敗並沒有擊垮整個團隊的信心。10多年來，他們沒有急於出結果，而是不斷在理論和實驗中積累“經驗值”。研究團隊堅信，只要心中有目標，就能想辦法把這種新材料做出來。

另闢蹊徑 做“活”新材料

傳統的化學合成方法行不通，這讓李玉良意識到，可能需要突破傳統和模式化的方法另闢蹊徑。於是，他們開闢了“共軛有機奈米結構可控生長與自組裝”新方向，嘗試在化學合成中把“有機”和“奈米”兩個概念結合起來。用一個比喻來說，這項工作的目標是讓有機分子中的碳原子“自己”“裸露”出來，有序地“生長”成二維全碳網路結構。

2000年後，隨著科學技術的進步，高分辨電子顯微鏡和先進的光譜測試儀器的出現推動了碳材料表徵技術的快速發展。同時，研究團隊在“有機奈米結構”方向上的耕耘也有了初步收穫，先是在銅基上生長出系列有機奈米結構，經過反覆實驗進一步獲得了具有sp雜化碳的聚丁二炔奈米線陣列，為後續合成石墨炔奠定了基礎。

結合化學反應和可控奈米結構生長十多年來積累的豐富經驗，李玉良帶領團隊提出了固液兩相銅表面催化偶聯新方法。2010年，他們終於在國際上首次透過合成化學方法獲得新的碳同素異形體，因為其中碳原子具有sp、sp2雜化，李玉良將其命名為“石墨炔”，碳材料家族從此誕生了一個新成員。

“石墨炔是一種‘活’的碳材料。”李玉良介紹道。石墨炔表面分佈無限多π鍵，sp和sp2雜化使表面電荷分佈非常不均勻，表面活性很高。基於此，他們提出了全新的“炔烯互變”“自擴充載流子通道”和“新模式化學能轉換”等概念，拓展了化學、材料和物理學等領域研究的發展空間。

目前，石墨炔已在催化、能源、光電、生命科學、資訊智慧和新模式物質轉化與轉換等領域獲得了一系列突破性進展。讓李玉良感到欣慰的是，“活”的石墨炔已經成為一個活躍的研究領域，研究團隊實現了為“中國牌”碳材料代言的目標。如今世界上已經有60多個國家和地區的500多個研究團隊對石墨炔開展研究，中科院科技戰略諮詢研究院、中科院文獻情報中心與科睿唯安等聯合向全球釋出的《2020研究前沿》報告，也將石墨炔列為化學與材料科學Top10前沿之一。

回顧石墨炔研究過程，李玉良體會到“另闢蹊徑”對於原創研究的重要性。“長期在單一研究領域，會制約我們的創新能力。”李玉良經常這樣教導團隊中的青年科研人員，“做科研必須學會拓展和吸納多種學科的知識，並融合到自己的研究中，這樣才能不落窠臼，取得更大的進步。”