首次创造出长期假设的“下一代神奇物质”

诸平

The crystal structure of a layer of graphyne. Credit: Yiming Hu

据美国科罗拉多大学博尔德分校（University of Colorado at Boulder简称CU Boulder）2022年5月21日提供的消息，研究人员首次创造出长期假设的“下一代神奇物质” 石墨炔（Long-hypothesized 'next generation wonder material' created for first time—graphyne）。

十多年来，科学家们一直试图合成一种叫做石墨炔（graphyne）的新型碳，但收效甚微。然而，由于科罗拉多大学博尔德分校的新研究，这一努力现在结束了。

由于石墨炔与“神奇材料”石墨烯（graphene）的相似之处，石墨烯一直以来都是科学家们的兴趣所在。石墨烯是碳的另一种形式，受到工业界的高度重视，其研究甚至被授予2010年的诺贝尔物理学奖（The Nobel Prize in Physics 2010）。然而，尽管经过几十年的工作和理论研究，在此之前只有少数碎片被创造出来。

2022年5月9日发表在《自然合成》(Nature Synthesis)杂志上的一项研究——Yiming Hu, Chenyu Wu, Qingyan Pan, Yinghua Jin, Rui Lyu, Vikina Martinez, Shaofeng Huang, Jingyi Wu, Lacey J. Wayment, Noel A. Clark, Markus B. Raschke, Yingjie Zhao, Wei Zhang. Synthesis of γ-graphyne using dynamic covalent chemistry. Nature Synthesis, Published: 09 May 2022. DOI: 10.1038/s44160-022-00068-7. https://doi.org/10.1038/s44160-022-00068-7

此项研究成果，填补了碳材料科学长期以来的空白，可能为电子、光学和半导体材料研究开辟了全新的可能性。参与此项研究的除了美国科罗拉多大学博尔德分校的研究人员之外，还有来自中国青岛科技大学（Qingdao University of Science and Technology, China）的研究人员。

这篇论文的第一作者、科罗拉多大学博尔德分校化学系2022年化学博士毕业生胡一鸣（Yiming Hu）表示:“整个观众、整个领域都非常兴奋，因为这个长期存在的问题，或这个虚构的材料，终于实现了。”

长期以来，科学家们一直对构建新的或新的碳同素异形体或碳的形式感兴趣，因为碳在工业上的用途以及它的多功能性。 

根据sp²、sp³和sp杂化碳(或碳原子与其他元素结合的不同方式)及其对应的键的利用，碳同素异形体可以有不同的构建方式。最著名的碳同素异形体是石墨(用于铅笔和电池等工具)和金刚石，它们分别由sp²和sp³杂化碳构成。

多年来，科学家们使用传统的化学方法成功地创造了各种碳的同素异形体，包括富勒烯(fullerenes：其发现获得1996年诺贝尔化学奖；The Nobel Prize in Chemistry 1996)和石墨烯（graphene）。

然而，这些方法不允许不同类型的碳以任何一种大容量合成在一起，就像石墨炔所需要的那样，这使得理论材料——推测其具有独特的电子导电、机械和光学性质——仍然是一个理论。

但也正是这种对非传统的需求，促使该领域的人联系上了张伟（Wei Zhang音译）的实验室团队。

张伟是科罗拉多大学博尔德分校（CU Boulder）的化学教授，研究可逆化学。可逆化学是一种允许化学键自我修正的化学，允许创造新的有序结构或晶格，如合成的DNA样聚合物（synthetic DNA-like polymers）。

在被接触后，张伟和他的实验室团队决定试一试。

创建石墨炔是一个“非常古老、长期存在的问题，但由于合成工具有限，人们的兴趣就下降了，”张伟实验室小组的博士生胡一鸣评论道，“我们再次提出了这个问题，并使用一种新工具解决了一个真正重要的老问题。”

使用一种叫做炔烃置换（alkyne metathesis）的过程——这是一种有机反应，需要对炔烃化学键(一种至少有一个碳-碳三重共价键的碳氢化合物)进行再分配或重组——以及热力学和动力学控制，他们成功地创造出了一种前所未有的东西:一种可以与石墨烯的导电性相媲美，但在可控范围内的材料。

张伟说：“石墨烯和石墨炔之间存在有相当大的区别，但是区别是一种好方式。石墨炔可能是下一代神奇材料。这就是为什么人们非常兴奋的原因所在。”

虽然石墨炔这种材料已经成功制造出来，但该团队仍想研究它的具体细节，包括如何大规模制造这种材料，以及如何操纵它。

张伟说到下一步工作时指出：“我们正在尝试从多个维度探索这种新材料，从实验和理论上，从原子水平到实际设备。”

这些努力，反过来，应该有助于弄清楚这种材料的电子传导和光学特性（ optical properties），如何用于像锂离子电池（lithium-ion batteries）这样的工业应用。

“我们希望在未来我们能降低成本，简化反应过程，然后，希望人们能真正从我们的研究中受益，”胡一鸣说。

对于张伟来说，没有跨学科团队的支持，这是不可能完成的。他补充说:“没有物理系的支持，没有同事的支持，这项工作可能无法完成。”

此项研究得到了美国国家科学基金会(National Science Foundation: DMR-1420736)、中国国家自然科学基金会（National Natural Science Foundation of China; 31202117）、科罗拉多大学博尔德分校暑期研究生奖学金（Summer Graduate Fellowship support from University of Colorado Boulder）的支持。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

二维多孔石墨炔的合成（Synthesis of two-dimensional holey graphyne）

Abstract

Most attempts to synthesize graphynes are limited to using irreversible coupling reactions, which often result in the formation of nanometre-scale materials that lack long-range order. Here the periodically sp–sp²-hybridized carbon allotrope, γ-graphyne, was synthesized in bulk via a reversible dynamic alkyne metathesis of alkynyl-substituted benzene monomers. The balance between kinetic and thermodynamic control was managed through the simultaneous use of two different hexa-alkynyl-substituted benzenes as the comonomers to yield crystalline γ-graphyne. Additionally, the ABC staggered interlayer stacking of the graphyne was revealed using powder X-ray and electron diffraction. Finally, the folding behaviour of the few-layer graphyne was also observed on exfoliation, and showed step edges within a single graphyne flake with a height of 9 nm.