? ? ?金剛石、石墨烯、碳納米管、富勒烯……碳材料擁有龐大的家族成員，一直深深吸引著化學(xué)家和材料學(xué)家。然而，此前幾乎所有風(fēng)靡全球的碳材料，都由國外學(xué)者開創(chuàng)和引領(lǐng)。
“這是我們中國人自己做的碳材料——石墨炔?！苯?，在位于中國科學(xué)院化學(xué)研究所（以下簡稱化學(xué)所）的實(shí)驗(yàn)室里，中科院院士、中科院化學(xué)研究所研究員李玉良晃了晃手里的小瓶子向記者介紹道。瓶子里的黑色粉末發(fā)出輕微的沙沙聲。
多年來，在李玉良帶領(lǐng)下，二維碳石墨炔研究集體在該領(lǐng)域默默耕耘，在國際上首次利用化學(xué)合成方法獲得碳材料家族新成員——石墨炔，開拓了碳材料新領(lǐng)域，在國際上產(chǎn)生重要影響，并一直引領(lǐng)該領(lǐng)域的發(fā)展。
近日，李玉良和他的團(tuán)隊(duì)獲得2021年度中科院杰出科技成就獎(jiǎng)。接受《中國科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)，他表示：“我們?cè)谔疾牧项I(lǐng)域耕耘20多年，一直堅(jiān)持初心，希望做出中國人自己的碳材料，讓別人來跟著我們做?！?/p>
不甘跟蹤 瞄準(zhǔn)全新碳材料
柔軟的鉛筆芯和堅(jiān)硬的金剛石實(shí)際上是同一種物質(zhì)——碳，它們被稱為碳的“同素異形體”。也就是說，同樣都是碳原子，只要微觀上原子與原子之間有不同的鍵合方式就可以產(chǎn)生不同的結(jié)構(gòu)，宏觀上就會(huì)呈現(xiàn)出完全不同的性質(zhì)?；瘜W(xué)家用“雜化”來區(qū)分這樣的鍵合方式。碳原子就有sp3、sp2和sp三種雜化方式，其中sp3雜化形成金剛石，sp2雜化形成石墨、富勒烯、碳納米管和石墨烯等。
早在20世紀(jì)70年代后期，李玉良就開始了碳材料的研究，探索制備高聚物全碳小球的方法。20世紀(jì)80年代后期，富勒烯的發(fā)現(xiàn)引起廣泛關(guān)注，化學(xué)所的科研人員在朱道本院士帶領(lǐng)下開展了富勒烯相關(guān)研究。李玉良更加沉浸在碳材料的世界里。
1998年前后，李玉良萌生出做一種全新碳材料的想法?！爱?dāng)時(shí)，自然界已存在的碳同素異形體中，唯獨(dú)sp雜化的碳材料仍停留在理論上，自然界中并不存在?！崩钣窳急硎尽?/p>
同時(shí)，李玉良告訴研究團(tuán)隊(duì)：“應(yīng)該做我們中國人自己的碳材料?！?0世紀(jì)80年代到90年代，在國外工作和參加學(xué)術(shù)會(huì)議期間，李玉良深深感受到中國學(xué)者在國際上學(xué)術(shù)地位較低，其根本原因在于當(dāng)時(shí)中國原創(chuàng)性成果較少、科學(xué)研究的引領(lǐng)性不強(qiáng)。“就拿碳材料來說，石墨烯、碳納米管、富勒烯，都是外國學(xué)者開創(chuàng)的?！彼貞浀?。
從那時(shí)起，他和團(tuán)隊(duì)就以做具有中國“標(biāo)簽”的碳材料為追求?！岸颊f做基礎(chǔ)研究是‘坐冷板凳’，是辛苦的，但這是做科研必須面對(duì)的?！崩钣窳几嬖V《中國科學(xué)報(bào)》，“相比起辛苦，我更擔(dān)心陷入一種苦惱，苦惱于短短幾十年的科研生涯只能跟在人家后面做研究?！?/p>
不懼失敗 十余年堅(jiān)持積累
事實(shí)上，剛開始產(chǎn)生制備全新碳材料的想法時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)有些迷茫，因?yàn)橥ㄟ^合成化學(xué)方法獲得新結(jié)構(gòu)的全碳材料在國際上并無先例。
一次學(xué)術(shù)會(huì)議上與物理學(xué)家的討論給李玉良帶來啟發(fā)。話題是由富勒烯引發(fā)的，與會(huì)專家對(duì)這種球形材料充滿期待。一些物理學(xué)家認(rèn)為，想要在物理上解決問題，還得靠平面薄膜材料。“有一位物理學(xué)家和我討論，如果用化學(xué)方法，能不能做出一種類似打開富勒烯球形結(jié)構(gòu)而形成的全碳平面材料?！崩钣窳蓟貞浀?。
李玉良和團(tuán)隊(duì)受到啟發(fā)，回到實(shí)驗(yàn)室開始嘗試。不過，最初的嘗試以失敗告終?！拔覀冇脗鹘y(tǒng)的化學(xué)方法去合成，合成到十幾個(gè)碳原子時(shí)，由于表面張力太大，難以控制合成過程。”
與此同時(shí)，相對(duì)落后的碳材料表征技術(shù)也成為最大的掣肘。研究人員用低倍的電子顯微鏡去觀察實(shí)驗(yàn)做出來的碳材料，全是黑乎乎的一片，更不用說原子級(jí)的分辨率了。不過，在那個(gè)時(shí)期也沒有其他更為先進(jìn)的結(jié)構(gòu)表征手段。
很長一段時(shí)間里，李玉良帶著團(tuán)隊(duì)成員做做停停，進(jìn)展緩慢。不過，一次又一次的失敗并沒有擊垮整個(gè)團(tuán)隊(duì)的信心。10多年來，他們沒有急于出結(jié)果，而是不斷在理論和實(shí)驗(yàn)中積累“經(jīng)驗(yàn)值”。研究團(tuán)隊(duì)堅(jiān)信，只要心中有目標(biāo)，就能想辦法把這種新材料做出來。
另辟蹊徑 做“活”新材料
傳統(tǒng)的化學(xué)合成方法行不通，這讓李玉良意識(shí)到，可能需要突破傳統(tǒng)和模式化的方法另辟蹊徑。于是，他們開辟了“共軛有機(jī)納米結(jié)構(gòu)可控生長與自組裝”新方向，嘗試在化學(xué)合成中把“有機(jī)”和“納米”兩個(gè)概念結(jié)合起來。用一個(gè)比喻來說，這項(xiàng)工作的目標(biāo)是讓有機(jī)分子中的碳原子“自己”“裸露”出來，有序地“生長”成二維全碳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
2000年后，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，高分辨電子顯微鏡和先進(jìn)的光譜測試儀器的出現(xiàn)推動(dòng)了碳材料表征技術(shù)的快速發(fā)展。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)在“有機(jī)納米結(jié)構(gòu)”方向上的耕耘也有了初步收獲，先是在銅基上生長出系列有機(jī)納米結(jié)構(gòu)，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步獲得了具有sp雜化碳的聚丁二炔納米線陣列，為后續(xù)合成石墨炔奠定了基礎(chǔ)。
結(jié)合化學(xué)反應(yīng)和可控納米結(jié)構(gòu)生長十多年來積累的豐富經(jīng)驗(yàn)，李玉良帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)提出了固液兩相銅表面催化偶聯(lián)新方法。2010年，他們終于在國際上首次通過合成化學(xué)方法獲得新的碳同素異形體，因?yàn)槠渲刑荚泳哂衧p、sp2雜化，李玉良將其命名為“石墨炔”，碳材料家族從此誕生了一個(gè)新成員。
“石墨炔是一種‘活’的碳材料?！崩钣窳冀榻B道。石墨炔表面分布無限多π鍵，sp和sp2雜化使表面電荷分布非常不均勻，表面活性很高?；诖?，他們提出了全新的“炔烯互變”“自擴(kuò)充載流子通道”和“新模式化學(xué)能轉(zhuǎn)換”等概念，拓展了化學(xué)、材料和物理學(xué)等領(lǐng)域研究的發(fā)展空間。
目前，石墨炔已在催化、能源、光電、生命科學(xué)、信息智能和新模式物質(zhì)轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域獲得了一系列突破性進(jìn)展。讓李玉良感到欣慰的是，“活”的石墨炔已經(jīng)成為一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了為“中國牌”碳材料代言的目標(biāo)。如今世界上已經(jīng)有60多個(gè)國家和地區(qū)的500多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)對(duì)石墨炔開展研究，中科院科技戰(zhàn)略咨詢研究院、中科院文獻(xiàn)情報(bào)中心與科睿唯安等聯(lián)合向全球發(fā)布的《2020研究前沿》報(bào)告，也將石墨炔列為化學(xué)與材料科學(xué)Top10前沿之一。
回顧石墨炔研究過程，李玉良體會(huì)到“另辟蹊徑”對(duì)于原創(chuàng)研究的重要性?！伴L期在單一研究領(lǐng)域，會(huì)制約我們的創(chuàng)新能力。”李玉良經(jīng)常這樣教導(dǎo)團(tuán)隊(duì)中的青年科研人員，“做科研必須學(xué)會(huì)拓展和吸納多種學(xué)科的知識(shí)，并融合到自己的研究中，這樣才能不落窠臼，取得更大的進(jìn)步?！?/p>
