富勒烯、碳納米管、石墨烯、石墨炔……碳材料一直被認為是一種未來材料，每一種新型碳材料的發現都引發材料學家的研究熱潮。如今，碳家族再添新成員——中國科學院化學研究所鄭健研究員團隊十年磨一劍，在常壓下通過簡單的反應條件，創製了一種新型碳同素異形體單晶“單層聚合C60”，它具有較高的結晶度和良好的熱力學穩定性，為碳材料的研究提供了全新的思路。
這一成果發表在16日出版的國際學術期刊《自然》上，引起了國際化學界和材料學界的廣泛關注。
同一種元素構成的物質，由於原子排列不同，展現出不同的物理化學性質，我們稱之為同素異形體。柔軟的石墨、堅硬的金剛石等都是碳的同素異形體，有各自不同的重要應用。但這些材料都是自然界中存在的，一直以來，科學家們都在尋找，有沒有可能用碳原子“搭建”出新型材料，“定製”出我們需要的新型碳材料。
“對於製備純碳材料，過去的思路一直是用碳原子作為基礎單元去構築。”鄭健解釋，他帶領團隊創造性地用C60分子替代碳原子作為基礎單元，在常溫常壓的溫和條件下，通過摻雜金屬鎂將C60分子聚合起來，再通過有機陽離子切片策略把金屬鎂去掉，最終得到單層聚合C60。 這是一種全新的簇聚二維超結構，由C60簇籠在平面上通過C-C鍵相互共價鍵合形成規則的拓撲結構。“為了得到這個穩定的結構，我們用了五年。”鄭健說，一個C60分子中一共有60個碳原子，想要得到穩定的結構，就要讓相鄰分子中的碳原子形成穩定連接。論文第一作者、鄭健團隊成員侯凌翔博士說：“有太多種可能性，但正確的道路只有一條，否則C60分子就不會按照設計的規律連接，難以測量它的尺寸和性質。我們嘗試了很多種方法，製備了許多樣品，走了很多彎路。”潛心研究終於有了回報：多種表徵測量結果顯示，這種新材料就是鄭健團隊想要得到的目標材料，他們開創了一種新的製備碳材料的方法。
同時，測量結果還發現，這種新材料是典型的半導體，並具有良好的熱力學穩定性，在約326.85℃下仍舊穩定存在。鄭健說：“我們認為，這種新材料在非線性光學和功能化電子器件方面具有重要應用前景，在超導、量子計算、自旋輸運、信息及能量存儲、催化等領域也具有潛在的應用。”接下來，團隊將深入研究這一新材料的特性，探索更多的應用場景和更大的應用價值。