新发现的碳形式是石墨烯的超原子表亲

长期以来，无数形式的碳一直吸引着科学界。除了作为地球上所有有机生命的主要组成部分外，碳的物质形式也获得了相当多的突破。1996 年，诺贝尔化学奖授予了富勒烯的发现者，富勒烯是一种由 60 个碳原子组成的超原子对称结构，形状像足球;2010 年，研究人员使用超强、原子薄的碳(称为石墨烯)获得了诺贝尔物理学奖。

今天，在发表在《自然》杂志上的工作中，由哥伦比亚化学家 Xavier Roy、Colin Nuckolls 和 Michael Steigerwald 以及博士后和第一作者 Elena Meirzadeh 领导的研究人员发现了一种介于富勒烯和石墨烯之间的新型碳：石墨烯。它是一种新的二维形式的碳，由连接的富勒烯层组成，从较大的石墨烯晶体中剥离成超薄薄片——就像石墨烯从石墨晶体中剥离(与铅笔中发现的相同材料)一样。

“在 2022 年发现一种新形式的碳真是太棒了，”Nuckolls 说。“这也让你意识到，有一整个系列的材料可以用类似的方式制造，由于写入超原子构建块的信息，它们将具有新的和不寻常的特性。”

Meirzadeh 合成了第一个石墨烯晶体，他将石墨烯称为石墨烯的超原子“表亲”。她解释说，与石墨烯和大多数其他二维材料不同，这些材料由仅限于特定键合几何形状并因此具有特定特性的重复元素制成，石墨烯的超原子结构使其具有令人难以置信的模块化。球中有 60 个碳原子可供使用，富勒烯理论上可以通过多种不同的方式连接在一起，每种方式都可以产生不同的电子、磁性和光学特性——第一个版本仅代表一种可能的配置，Roy 说。

Steigerwald 补充说，这是一种思考结构及其生长特性的新方法。“30 多年来，研究人员一直认为原子团的行为与它们形成的较大固体不同，”他说。“在这里，我们正在用现有的碳超级原子制造固体，以了解这种组织将如何影响其特性。新材料的行为会像富勒烯，还是像其他东西?”

该团队着手将富勒烯分子而不是单个碳原子键合成层状、可剥离的晶体，以便研究其二维超原子特性。Meirzadeh 使用了一种高温固态合成技术，该技术涉及一个镁支架，该支架后来被移除——这一过程涉及酸，在手套箱内使用空气敏感晶体工作了一年之后，这是一个有点伤脑筋的最后一步。“作为化学家，我们会尝试一些事情，但并不总是知道会发生什么。我以为它会分崩离析，但它仍然完好无损，”她回忆道。“看到一个完好无损的纯碳晶体，我们可以很容易地去除角质并进行研究，这是一个很大的惊喜。”

新材料制成后，Meirzadeh 将样品发送给哥伦比亚及其他地方的合作者，以进行初步成像和表征。一系列测试揭示了许多有趣的电学、光学和热学特性。与石墨烯一样，石墨烯可以限制和偏振光，可以接受大量额外的电子，可以形成可调的超晶格结构;这些特性使其成为一种很有前途的材料，在新型光学和电子设备中具有潜在的应用前景。与富勒烯相比，石墨烯晶体具有更高的导热性，这是每个石墨烯片内强共价键的结果。导热性有助于散热，这是构建设备时的重要考虑因素。

这项工作是团队探索石墨烯潜力的起点。从化学的角度来看，他们计划调整和调整其模块特性并引入新结构，而合作者将更仔细地研究当石墨烯片与哥伦比亚大学研究的不同种类的二维材料结合时会发生什么，以了解碳的其他秘密隐藏。

“石墨烯和富勒烯的发现都产生了令人难以置信的影响，”罗伊说。例如，富勒烯被用于制造有机光伏电池，在医学上用作 MRI 和 X 射线成像的造影剂，并用于药物治疗。最近发现的石墨烯是一种极轻但坚固的材料，具有许多独特的特性，正在积极探索其在电子、能源应用等领域的潜在用途。“现在我们将它们组合在一起形成了这种新形式的碳。我们不知道这项工作到底会产生什么，但探索起来将非常令人兴奋，”他说。

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