1998年至2009年的10多年間
中國科學院化學研究所研究員李玉良
帶領科研團隊
在世界上首次透過合成化學的方法
大規模制備出石墨炔
為碳材料家族增添了新成員
中國科學家
在這一全球科技前沿領域有了一席之地
李玉良的體會是
相比起基礎研究坐冷板凳的辛苦
更擔心陷入一種苦惱：
短短幾十年的科研生涯
只能跟在人家後面做研究
▲李玉良指導學生開展科研。
1985年，英美科學家意外發現富勒烯 ( C 60 )
除了石墨和金剛石之外
這是碳的第三種「同素異形體」
全世界為之轟動
在中國科學院化學研究所的實驗室裏
富勒烯研究進展也曾是大家參與度最高的話題
20世紀90年代
李玉良萌生出一個大膽的想法
有沒有可能做出一種中國人自己的碳材料，
搶占新結構碳材料研究的先機？
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
1998年開始
李玉良帶著七八個人的小團隊邊幹邊探索
陸續嘗試了多種方法
卻發現這些方法很難獲得想要的目標產物
科研人員在顯微鏡視野下
只能看到黑乎乎的一片
「沒有高分辨表征手段
我們就沒辦法證明自己是對的」
碳的原子結構尺寸在0.1納米的數量級
當時的電子顯微鏡分辨率遠遠達不到這個水平
落後的表征技術
成為他們進行結構解析難以跨越的屏障
化學合成的結果就像一個個拆不開的「盲盒」
碳原子的最外層有4個電子
碳原子有三種混成方式
包括sp3、sp2和sp
具有sp2、sp3混成的碳材料已經存在
唯獨sp混成的碳材料在自然界中並不存在
「具有sp混成的碳材料
碳原子排布結構應該是什麽樣的？」
既然「看」不清，李玉良就想
他在腦海裏無數次地「畫」出碳原子排布的模型
推演化學反應如何能產生合適的化學鍵
形成這樣的結構
一次由物理學家發起的學術會議
給李玉良帶來了啟發
物理學家們腦洞大開地提出
將C 60 開啟形成平面結構
他回到實驗室很快投入了實驗工作
▲石墨炔粉末和石墨炔大面積薄膜實物及實驗室研制宏量合成石墨炔裝置。
然而，幾個月後實驗宣告失敗
他們采用傳統的化學方法
合成到十幾個碳原子時
由於表面張力太大，合成過程失控
所幸曲折的經歷沒有擊垮整個團隊的信心
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」
他們嘗試突破傳統和模式化
開辟新方向
把「合成化學」和「納米技術」結合起來
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」成二維全碳網絡結構
▲石墨炔多層結構。
與此同時
高分辨電子顯微鏡和先進光譜測試儀器出現
推動了碳材料表征技術的快速發展
科研人員迎來了絕佳的機會
他們終於能直接「看清」實驗產物了！
功夫不負有心人
2004年8月
李玉良團隊的實驗終於迎來轉機
他們首次獲得了
具有sp混成的聚丁二炔納米線陣列
電鏡下清晰的丁二炔結構表征
成為團隊通向全新碳材料之路上的「燈塔」
為後續合成石墨炔奠定了基礎
▲石墨炔在高分辨率電鏡下的成像。
「出來了！」
2009年春天裏的一天
位於化學所3號樓的實驗室裏
一台高分辨電鏡的顯示器上
碳原子以一種從未出現過的排列方式展現出來
學生們興奮地將這個好訊息告訴了李玉良
李玉良在課題組的組會上難掩內心的激動之情
「‘石墨炔’已經誕生！
以後我們課題組再也不用跟著做別人的材料了
我們一定要倍加珍惜做好我們自己的碳材料！」
這標誌著中國科學家在國際上首次
透過合成化學方法
成功獲得新的碳同素異形體
石墨炔這種自然界不存在的物質
第一次真實地呈現在人類面前
對此， 諾貝爾獎得主安德烈·蓋姆高度評價
「石墨炔是過去兩三年我一直渴望尋找的
最完美的材料」
▲
石墨炔粉末。（本文均為受訪者供圖）
此後，他們成功實作了
石墨炔大面積、規模化制備
在10多年潛心研究的基礎上
提出了一系列概念
拓展了化學、材料等領域研究的發展空間
這些原創性研究
引領國際上眾多科學家積極參與
推動了碳材料科學的發展
為碳材料研究帶來了難得的機遇
他們實作了為「中國牌」碳材料代言的目標！
不甘跟在人家後面做研究的學術誌向
寧願坐「冷板凳」
也要瞄準「制高點」的科研精神
讓李玉良團隊創制了石墨炔這一全新材料
在碳材料的探索之路上
這種誌向和精神依然激勵著研究團隊
向著新的「制高點」不斷前行！
來源：中國科學報
責任編輯：宋同舟
