碳是我們這個星球上最重要的元素之一，碳原子具有極輕的原子質(zhì)量和極強(qiáng)的共價鍵,。碳是元素周期表中最多樣化的元素之一,，它可以與自身或者幾乎所有的元素以多種雜化方式成鍵，獲得結(jié)構(gòu)豐富的碳網(wǎng)絡(luò),，很多碳分子具有獨特的π電子共軛體系,，并展現(xiàn)出優(yōu)異的力、熱,、光,、電等屬性。

碳材料一直被認(rèn)為是一種未來材料,，甚至有的材料學(xué)家認(rèn)為人類社會將由現(xiàn)今的“硅基電子時代”邁入到未來的“碳基電子時代”,。通過調(diào)節(jié)碳材料的帶隙，可以使其表現(xiàn)出迥異的電學(xué)性質(zhì)（如金屬,、半導(dǎo)體和絕緣體）,，從而在晶體管,、能源存儲器件、超導(dǎo)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用,。碳材料的性能與其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)密切相關(guān),，因此，研究新的二維碳同素異形體,，特別是具有帶隙的新型結(jié)構(gòu),，建立結(jié)構(gòu)與物性之間的關(guān)聯(lián)，具有重要意義,。制備新型碳材料一直是材料領(lǐng)域的前沿科學(xué)問題,，以富勒烯、碳納米管,、石墨烯,、石墨炔為代表的新型碳材料的每一次發(fā)現(xiàn)都引發(fā)了材料學(xué)家的研究熱潮。1985年,，Robert F. Curl,、Jr、Harold Kroto和Richard E. Smalley發(fā)現(xiàn)C₆₀（獲1996年諾貝爾化學(xué)獎）,；2004年,，Andre Geim和Konstantin Novoselov成功地從石墨中分離出石墨烯（獲2010年諾貝爾物理學(xué)獎）。

同一種元素構(gòu)成的物質(zhì),，由于原子排列不同,，展現(xiàn)出不同的物理化學(xué)性質(zhì)，稱之為同素異形體,。碳有多種同素異形體,，包括金剛石、石墨,、富勒烯,、碳納米管、石墨烯和石墨炔,。

6月15日，中國科學(xué)院化學(xué)研究所研究員鄭健團(tuán)隊在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）上發(fā)表了題為Synthesis of a monolayer fullerene network 的新成果,。該工作在常壓下通過簡單的反應(yīng)條件,，創(chuàng)制了一種新型碳同素異形體單晶——單層聚合C₆₀。這是一種全新的簇聚二維超結(jié)構(gòu),，由C₆₀簇籠在平面上通過C-C鍵相互共價鍵合形成規(guī)則的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),。這種新型碳材料具有較高的結(jié)晶度和良好的熱力學(xué)穩(wěn)定性，并具有適度的禁帶寬度,，為碳材料的研究提供了全新思路,。

迄今為止構(gòu)筑二維材料的最小單元是單個原子,，被稱為人造原子的納米團(tuán)簇作為基本單元構(gòu)筑更高級的二維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一直未能實現(xiàn)。由于碳碳成鍵的反應(yīng)收率不是100%且反應(yīng)不可逆,，因此使用傳統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)自下而上通過分子“壘磚頭”的方法制備二維團(tuán)簇碳材料單晶幾乎無法完成,。鄭健課題組歷時5年，利用摻雜聚合-剝離兩步法,，成功制備了單層二維聚合C₆₀單晶,，獲得了確鑿的價鍵結(jié)構(gòu)。

通過調(diào)節(jié)鎂（Mg）和C₆₀的比例,，他們在常壓條件下制得了兩種緊密排列的準(zhǔn)六方相和準(zhǔn)四方相的Mg插層聚合物單晶,，通過新的有機(jī)陽離子切片策略，使用四丁基水楊酸銨作為切割試劑,，從準(zhǔn)六方相結(jié)構(gòu)中剝離得到單層C₆₀聚合物,。研究人員利用單晶X射線衍射（XRD）和掃描透射電子顯微鏡（STEM）對該單層C₆₀聚合物進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征，結(jié)果顯示C₆₀之間通過C-C橋連單鍵和[2+2]環(huán)加成的四元環(huán)橋連鍵在平面內(nèi)連接形成了一種全新的二維拓?fù)涑Y(jié)構(gòu),。單層聚合C₆₀的帶隙約為1.6 eV,，是典型的半導(dǎo)體，預(yù)示其在光/電半導(dǎo)體器件中具有潛在應(yīng)用,。此外,，該結(jié)構(gòu)具有良好的熱力學(xué)穩(wěn)定性，在約600K（326.85℃）下仍舊穩(wěn)定存在,。

由于不對稱成鍵結(jié)構(gòu),，單層聚合C₆₀中每個C₆₀單元被拉伸成方向一致的橢球形，從而使得這種新的碳材料具有顯著的平面各向異性,，如各向異性聲子模式和電導(dǎo)率,，這意味著該材料在非線性光學(xué)和功能化電子器件方面可能具有應(yīng)用前景。此外,，由于其獨特的共軛碳結(jié)構(gòu),、巨大的超晶格和多孔骨架結(jié)構(gòu)，該二維簇聚碳材料或在超導(dǎo),、量子計算,、自旋輸運(yùn)、信息及能量存儲,、催化等領(lǐng)域也具有潛在應(yīng)用價值,。

該研究工作由中科院化學(xué)所有機(jī)固體實驗室獨立完成。該工作得到科技部國家重點研發(fā)計劃納米科學(xué)專項,、國家自然科學(xué)基金,、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項和北京分子科學(xué)國家研究中心的支持。

圖a：準(zhǔn)六方聚合C₆₀的單晶結(jié)構(gòu)示意圖,，每個C₆₀與周圍6個C₆₀通過C-C共價鍵相連,。圖b：單層聚合C₆₀的STEM圖片,，C₆₀籠簇在STEM圖片中顯示為圓環(huán)。