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       碳元素拥有一个大家庭，有众多同素异构体。虽然都由碳原子构成，但通过不同排列方式，能够形成多种晶体结构。碳原子通过不同轨道杂化方式，形成石墨、金刚石等具有不同性质和应用的碳基晶体；sp2杂化的碳原子通过维度、曲率等变化，可形成富勒烯、纳米碳管和石墨烯等碳基纳米结构，体现出独特性质，有关碳元素构成的不同晶体我们之前也介绍过很多。

       1月12日，《自然》杂志上刊登了一种新型人工碳晶体的文章，我国科学家在该领域又有新成果。中国科学技术大学朱彦武教授团队发表题为“Long-Range Ordered Porous Carbons Produced from C60”的研究论文，报道了通过对富勒烯C60分子晶体进行电荷注入，在常压条件下构建了C60聚合物晶体以及长程有序多孔碳晶体，并实现了其克量级制备。

中国科大朱彦武教授(一排中)研究团队部分成员合影

       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，朱教授就找到了一种用化学“活化”的方式“激活”石墨烯，成功地将石墨烯片层重构成为兼具高比表面积、高电导率和负曲率结构的“活化石墨烯”，作为超级电容器电极材料表现出优异性能，该研究成果曾发表在《科学》上。

       在此次研究中，朱彦武团队创造性地使用氮化锂对富勒烯C60分子晶体进行电荷注入，并在温和温度下进行热处理，最终得到大量的C60聚合物晶体以及长程有序多孔碳晶体。

       在该研究中，研究人员实现了上述材料的克量级制备，系统表征了其微观结构、谱学特征、结构衍化和电学性质；发展了电荷注入方法辅助实现C60分子间界面的原子级精度调控，为新型碳基晶体结构构建、性质研究及应用探索提供了新的视野，也就是大家所说的“拼乐高”式的制备技术。

图1.形貌和结构表征

       团队研究发现，将氮化锂（a-Li3N）和石墨接触时，其部分电子会转移至石墨的π电子云，导致石墨层间距异常增大、层间滑移能垒降低，从而使得3R相（ABC堆叠）石墨可在比此前报道低得多的温度下转变为2H相（AB堆叠）（Nano Lett. 2021, 21, 5648）。

图2.微观结构表征

       朱教授介绍，“这里的长程有序多孔碳晶体，微观上具有多孔特征但完整保留了晶体的宏观周期性，是一类新的人工碳晶体，未来可能在能量存储、离子筛分、负载催化等领域具有潜在应用。电荷注入技术为构建这类碳基晶体材料提供了一种拼‘乐高’式的制备技术，有望成为在原子级精度上调控晶体结构的新手段。” “如果我们可以在一个晶体结构中引入纳米单元，例如用富勒烯、石墨烯等作为基本结构单元代替普通晶体中的原子，像搭积木一样‘搭建’出新型碳材料，可能会发掘更多新奇性质，发挥更大应用潜力。”

       朱教授表示，“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调控晶体的原子级结构特征，探索更多的性质和应用。”

       中国科学技术大学潘飞特任副研究员（实验）、倪堃特任副研究员（理论）、东南大学徐涛副教授（球差电镜表征）为该论文的共同第一作者。韩国基础科学研究所Rodney. S. Ruoff教授、中国科学技术大学朱彦武教授为该论文的共同通讯作者。该工作获得了科技部重大研究计划、国家自然科学基金等项目经费的支持。

       论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05532-0