华裔博士攻克下一代'神奇材料'石墨炔

石墨炔(graphyne 下图 arxiv)是继富勒烯、碳纳米管、石墨烯之后，一种新的全碳纳米结构材料。石墨炔被称作最稳定的一种人工合成的二炔碳的同素异形体。由于其特殊的电子结构及类似硅那样的优异半导体性能，石墨炔的方向选择性使纳米尺度的电子光栅成为可能，因而会有助于开发更快的晶体管和纳米尺度电子元件。石墨炔还是一种非常有前景的理想储锂能源材料。由此，石墨炔在电子、半导体以及新能源领域有着广泛的应用前景。人们在研究石墨烯(graphene)上取得一系列成就，很大程度上加速了科技界对石墨炔(graphyne)的研究。

由于“神奇材料”石墨烯(graphene)的许多优点，长期以来一直受到科学家的关注，和工业界的高度重视，对石墨烯的研究甚至于2010年获得了诺贝尔物理学奖 (下图1 THE NOBEL PRIZE)。而石墨炔(graphyne)不但具备石墨烯(graphene)的许多优点，同时还有一些石墨烯不具有的特性，故近年来石墨炔研究在科技界有着非常大的吸引力。根据已知文献显示，世界上最早的石墨炔(graphyne)是由中国科学院院士、中科院化学研究所研究员李玉良及团队于2010年实际人工合成出来的 (下图2 Chem-Station)。自那以后，世界上已经有60多个国家和地区的500多个研究团队对石墨炔开展研究。但迄今为止人类在人工制备石墨炔(graphyne)方面进步十分有限，使石墨炔(graphyne)更多的是主要存在于计算机模型中的一种理论材料。

但这种石墨炔(graphyne)的人工制备停滞的情况，因一位华裔教授和他指导的团队取得的最新成绩，有望得到改观。张伟(下图1 University Of Colorado Boulder)是科罗拉多大学博尔德分校(University Of Colorado At Boulder)的化学教授，他研究领域为可逆化学，这是一种允许键自校正的化学，允许创建新的有序结构或晶格，如合成类DNA聚合物。最近，张伟教授带领他的实验室小组使用一种称为炔烃复分解的有机反应，以及热力学和动力学控制，成功地创造出了石墨炔(graphyne)这一可与石墨烯的导电性相媲美但具有控制能力的材料。这项研究成果于2022年5月9日在《自然合成》(Nature Synthesis)杂志上公布。据认为该研究成果填补了碳材料科学的一个长期空白，可能为电子、光学和半导体材料研究开辟全新的可能性。该篇论文的第一作者为胡一鸣(Yiming Hu 下图2 University Of Colorado Boulder)，系科罗拉多大学博尔德分校(University Of Colorado At Boulder)新近毕业的化学专业博士。

“石墨烯(graphene)和石墨炔(graphyne)之间有很大的差别，”张伟教授说。“这可能是下一代神奇材料。这就是为什么人们非常兴奋。”张在谈到下一步工作时说，他们的研究将弄清楚这种材料的电子导电和光学特性如何用于锂离子电池等工业应用。在谈到该项研究的应用前景时，论文第一作者为胡一鸣博士说：“我们希望未来能够降低成本，简化反应过程，然后，希望人们能从我们的研究中真正受益。” (下图1 Research Gate) 犹如现代科学其它领域所取得的进步一样，石墨炔(graphyne)人工制备的成功于是不同学科协力合作的成果。张教授就反复指出他的实验小组(下图2 University Of Colorado Boulder)能成功研制出石墨炔，得益于跨学科团队的支持：“没有物理系的支持，没有同事的支持，这项工作可能无法完成。”

值得指出的是，如果留心该篇论文作者的名字，你会感到熟悉而亲切，因为大部分似华人姓名(译音) --  Yiming Hu, Chenyu Wu, Qingyan Pan, Yinghua Jin, Rui Lyu, Vikina Martinez, Shaofeng Huang, Jingyi Wu, Lacey J. Wayment, Noel A. Clark, Markus B. Raschke, Yingjie Zhao and Wei Zhang (译音： 胡一鸣、吴晨宇、潘庆炎、金英华、吕瑞、维金娜·马丁内斯、黄少锋、吴静怡、莱西·J·韦门特、诺埃尔·A·克拉克、马库斯·B·拉施克、赵英杰和张伟)。或许，这是拜登政府今年3月放弃了川普在科技领域打压华人的“中国行动计划”(China Initiative)重要原因之一 -- 有太多的华裔学者科学家在为美国的强盛作贡献。

参考资料

Hu, Y. et all. (2022). Synthesis of γ-graphyne using dynamic covalent chemistry. nature synthesis. 链接 https://www.nature.com/articles/s44160-022-00068-7

University of Colorado at Boulder. (2022). Graphyne: Long-Hypothesized Next Generation “Wonder Material” Created for First Time. SciTechDaily. 链接  https://scitechdaily.com/graphyne-long-hypothesized-next-generation-wonder-material-created-for-first-time/