石墨炔粉末。

1998年至2009年的10多年間，李玉良帶領(lǐng)科研團隊攻堅克難、不懼失敗，最終另辟蹊徑，在世界上首次通過合成化學方法大規(guī)模制備出石墨炔薄膜，并用“石墨炔”對其進行命名。

自此，石墨炔這種自然界不存在的物質(zhì)第一次真實地呈現(xiàn)在人類面前，成為碳材料家族的一名新成員。石墨炔的成功制備結(jié)束了化學方法不能制備全碳材料的歷史，開創(chuàng)了人工合成新型碳同素異形體的先例，為碳科學開辟了新的領(lǐng)域和方向，也讓中國科學家在碳材料這一全球科技前沿領(lǐng)域有了一席之地。

如今，石墨炔已經(jīng)在國際上產(chǎn)生了重要影響，而中國科學家也一直引領(lǐng)著該領(lǐng)域的發(fā)展。

石墨炔多層結(jié)構(gòu)。

下決心搶占“制高點”

作為地球上最常見的化學元素之一，碳原子的最外層有4個電子，因此每個碳原子可以與其他非金屬原子形成4對共用電子對。也就是說，碳原子總是與其他非金屬原子通過4個化學鍵相連。

這樣的組合讓碳原子具有獨特的空間結(jié)構(gòu)，能夠形成多種復雜的分子結(jié)構(gòu)，包括一維的線、棒和管狀結(jié)構(gòu)，二維的平面和層狀結(jié)構(gòu)，三維的球狀結(jié)構(gòu)等。結(jié)構(gòu)的多樣性往往引起物理和化學性質(zhì)的不同，碳材料的新奇特性常常給科學家?guī)眢@喜。例如，柔軟的鉛筆芯和堅硬的金剛石都是碳原子通過不同的排列方式形成的物質(zhì)，它們被稱為碳的“同素異形體”。

化學家用“雜化軌道理論”來描述碳和其他非金屬原子之間的連接。碳原子有3種雜化方式，包括sp³、sp²和sp等。其中，金剛石是由sp³雜化的碳形成的，多個碳原子組成一個個四面體；石墨、富勒烯、碳納米管和石墨烯等碳材料則是由sp²雜化的碳形成，許多碳原子組成二維平面結(jié)構(gòu)。

1985年，英美科學家在探索宇宙空間星際塵埃的組分時，首次意外發(fā)現(xiàn)富勒烯（C₆₀）。它成為人們已知的除了石墨和金剛石之外的碳的第三種同素異形體。

全球科技界為之轟動。在物質(zhì)科學“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的普遍認識下，科學家相信，新結(jié)構(gòu)碳材料具有的全新物理和化學性質(zhì)，一旦廣泛應用將為人類社會帶來重大變革。

在化學所，科研人員及時對這一領(lǐng)域進行了研究部署。在中國科學院院士朱道本的帶領(lǐng)下，化學所科研團隊在富勒烯的基礎和應用基礎方面開展了深入研究。實驗室里，富勒烯最新研究進展常常是科研人員參與度最高的話題。

正是在科研人員的共同努力下，進入千禧年，我國科學家在富勒烯研究方面取得了長足進步。2002年，朱道本領(lǐng)銜的“C₆₀的化學和物理若干基本問題研究”獲得國家自然科學獎二等獎，這是碳材料第一次獲得國家自然科學獎。在學者們看來，通過對富勒烯的研究，我國的納米科技和碳材料研究的整體水平得到了明顯提高。

在化學所這樣濃郁的科研氛圍中，李玉良深度參與了“碳基分離材料”方面的合成研究，對碳材料的研究比較深入。

1998年前后，隨著國內(nèi)科研條件不斷改善，國家科研實力逐漸增強。李玉良萌生出一個大膽的想法：“不管碳納米管還是富勒烯，都是外國學者開創(chuàng)的。我們有沒有可能做出一種中國人自己的碳材料，搶占新結(jié)構(gòu)碳材料研究的先機？”

當時，基于在國外工作和參加學術(shù)會議期間的一些親身經(jīng)歷，李玉良深深感受到中國學者在國際上學術(shù)地位不高。“我們國家很難獲得國際學術(shù)會議的主辦權(quán)。并且，中國學者的身影很少出現(xiàn)在國際學術(shù)會議大會報告和邀請報告的講臺上?！崩钣窳颊f。

對此，李玉良認為，根本原因在于當時中國創(chuàng)造性的科學成果較少、科學研究的引領(lǐng)性不強，沒有得到國際上的關(guān)注。因此，他進一步增強了信念——要做中國人自己的碳材料！

從那時起，他和團隊就以做中國原創(chuàng)的碳材料為追求?！岸颊f做基礎研究是坐‘冷板凳’，是很辛苦的，但這是做科研必須面對的?！崩钣窳颊f，“相比辛苦，我更擔心陷入一種苦惱，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>

李玉良（左二）指導學生開展科研。

“沒辦法證明自己是對的”

剛開始產(chǎn)生制備全新碳材料的想法時，李玉良和研究團隊有些迷茫，因為通過合成化學方法獲得新結(jié)構(gòu)的全碳材料在國際上并無先例。因此，一開始他就把目標鎖定在合成具有新結(jié)構(gòu)的碳材料上。

從1998年開始，在沒有任何經(jīng)驗可以借鑒的情況下，李玉良帶著七八個人的小團隊，邊干邊探索。他們陸續(xù)嘗試了高溫固相合成、球磨、輔助兩相和多相的界面生長等方法，卻發(fā)現(xiàn)這些方法很難獲得想要的目標產(chǎn)物，當時表征條件下的結(jié)構(gòu)解析成為難以跨越的屏障。

最令李玉良感到苦惱的是，當時落后的表征技術(shù)成為一大掣肘。

從20世紀90年代中期到2005年前后，我國的儀器設備都比較陳舊，要表征出碳原子排列的分辨圖像幾乎沒有可能。這讓李玉良團隊在結(jié)構(gòu)表征上遇到很大的困難。

李玉良說：“碳的原子結(jié)構(gòu)尺寸在0.1納米的數(shù)量級，但當時的電子顯微鏡分辨率遠遠達不到這個水平。再加上反應產(chǎn)物結(jié)構(gòu)復雜，分離難度相當大?！?/p>

在很長一段時間里，李玉良帶著團隊成員到處尋找能夠解決問題的辦法，實驗也很難按照自己的想法順利開展，研究一度陷入瓶頸。

化學合成的結(jié)果就像一個個拆不開的“盲盒”?！耙曇跋驴偸侵荒芸吹胶诤鹾醯囊黄??！崩钣窳蓟貞?，“沒有高分辨表征手段，結(jié)構(gòu)就說不清，實驗可能做對了，但我們沒辦法證明自己是對的?！保ㄓ浾吒蕰?實習生李賀）

（未完待續(xù)）

責任編輯：魏敏