中科院之声
2024-03-28 17:04:47
1998年至2009年的10多年间，中国科学院化学研究所研究员李玉良带领科研团队，在世界上首次通过合成化学的方法，大规模制备出石墨炔，为碳材料家族增添了新成员。中国科学家在这一全球科技前沿领域有了一席之地。李玉良的体会是，相比起基础研究坐冷板凳的辛苦，更担心陷入一种苦恼：短短几十年的科研生涯，只能跟在人家后面做研究。
1985年，英美科学家意外发现富勒烯(C60)，这是碳的第三种“同素异形体”，全世界为之轰动。在中国科学院化学研究所的实验室里，富勒烯研究进展也曾是大家参与度最高的话题。20世纪90年代，李玉良萌生出一个大胆的想法，有没有可能做出一种中国人自己的碳材料，抢占新结构碳材料研究的先机？通过合成化学方法获得新结构的全碳材料，在国际上并无先例。
1998年开始，李玉良带着七八个人的小团队边干边探索，陆续尝试了多种方法，却发现这些方法很难获得想要的目标产物。科研人员在显微镜视野下，只能看到黑乎乎的一片。“没有高分辨表征手段，我们就没办法证明自己是对的。”碳的原子结构尺寸在0.1纳米的数量级，当时的电子显微镜分辨率远远达不到这个水平，落后的表征技术成为他们进行结构解析难以跨越的屏障。
化学合成的结果就像一个个拆不开的“盲盒”。碳原子的最外层有4个电子，碳原子有三种杂化方式，包括sp3、sp2和sp，具有sp2、sp3杂化的碳材料已经存在，唯独sp杂化的碳材料在自然界中并不存在。“具有sp杂化的碳材料，碳原子排布结构应该是什么样的？”既然“看”不清，李玉良就想，他在脑海里无数次地“画”出碳原子排布的模型，推演化学反应如何能产生合适的化学键，形成这样的结构。
一次由物理学家发起的学术会议，给李玉良带来了启发，物理学家们脑洞大开地提出将C60打开形成平面结构。他回到实验室很快投入了实验工作。然而，几个月后实验宣告失败，他们采用传统的化学方法，合成到十几个碳原子时，由于表面张力太大，合成过程失控。所幸曲折的经历没有击垮整个团队的信心，他们没有急于出结果，而是不断在理论和实验中积累“经验值”。
他们尝试突破传统和模式化，开辟新方向，把“合成化学”和“纳米技术”结合起来，这项工作的目标是让有机分子中的碳原子“自己”“裸露”出来，有序地“生长”成二维全碳网络结构。与此同时，高分辨电子显微镜和先进光谱测试仪器出现，推动了碳材料表征技术的快速发展，科研人员迎来了绝佳的机会，他们终于能直接“看清”实验产物了！
功夫不负有心人，2004年8月，李玉良团队的实验终于迎来转机，他们首次获得了具有sp杂化的聚丁二炔纳米线阵列，电镜下清晰的丁二炔结构表征成为团队通向全新碳材料之路上的“灯塔”，为后续合成石墨炔奠定了基础。“出来了！”2009年春天里的一天，位于化学所3号楼的实验室里，一台高分辨电镜的显示屏上，碳原子以一种从未出现过的排列方式展现出来。
学生们兴奋地将这个好消息告诉了李玉良，李玉良在课题组的组会上难掩内心的激动之情，“‘石墨炔’已经诞生！以后我们课题组再也不用跟着做别人的材料了，我们一定要倍加珍惜做好我们自己的碳材料！”这标志着中国科学家在国际上首次通过合成化学方法，成功获得新的碳同素异形体。
石墨炔这种自然界不存在的物质，第一次真实地呈现在人类面前对此，诺贝尔奖得主安德烈·盖姆高度评价，“石墨炔是过去两三年我一直渴望寻找的，最完美的材料”。
此后，他们成功实现了石墨炔大面积、规模化制备，在10多年潜心研究的基础上，提出了一系列概念，拓展了化学、材料等领域研究的发展空间。
这些原创性研究，引领国际上众多科学家积极参与，推动了碳材料科学的发展，为碳材料研究带来了难得的机遇，他们实现了为“中国牌”碳材料代言的目标！不甘跟在人家后面做研究的学术志向，宁愿坐“冷板凳”，也要瞄准“制高点”的科研精神，让李玉良团队创制了石墨炔这一全新材料，在碳材料的探索之路上，这种志向和精神依然激励着研究团队，向着新的“制高点”不断前行！