當(dāng)時(shí)，幾種碳同素異形體中，具有sp²、sp³雜化的碳材料已經(jīng)存在，唯獨(dú)sp雜化的碳材料仍停留在理論層面，自然界中并不存在。

“具有sp雜化的碳材料，碳原子排布結(jié)構(gòu)應(yīng)該是什么樣的？”既然“看”不清，李玉良就想。他在腦海里無(wú)數(shù)次地“畫”出碳原子排布的模型，推演化學(xué)反應(yīng)如何能產(chǎn)生合適的化學(xué)鍵以形成這樣的結(jié)構(gòu)。

sp雜化的碳材料之所以受到關(guān)注，正是因?yàn)槠涮厥獾幕瘜W(xué)鍵“π鍵”。在這種化學(xué)鍵中，原本束縛在某一個(gè)原子周圍的電子可以在兩個(gè)或多個(gè)原子之間自由“奔跑”。自20世紀(jì)初，美國(guó)化學(xué)家鮑林在提出共振、雜化概念時(shí)，就對(duì)這類π鍵進(jìn)行了闡述。隨后，一代又一代化學(xué)研究者圍繞π鍵及其相關(guān)材料開展了深入研究。

1998年初，一次由物理學(xué)家發(fā)起的學(xué)術(shù)會(huì)議，給李玉良帶來(lái)了啟發(fā)。

李玉良記得，與會(huì)專家圍繞富勒烯開展了熱烈討論，對(duì)富勒烯這種球形材料充滿期待。一些物理學(xué)家認(rèn)為，富勒烯本身具有完美的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，擁有優(yōu)異的物理性質(zhì)。不過(guò)，富勒烯要在物理性質(zhì)和測(cè)量上有大的作為，還需要從它的結(jié)構(gòu)入手進(jìn)行改進(jìn)。

“C₆₀是由60個(gè)碳原子組成的球狀分子，如果將C₆₀打開成為一個(gè)平面結(jié)構(gòu)，那可能是我們更期待的！”經(jīng)過(guò)幾個(gè)回合的討論，物理學(xué)家們腦洞大開，竟然前瞻性地想到了這樣的新奇結(jié)構(gòu)。

這時(shí)，經(jīng)過(guò)與物理學(xué)家的多次討論，李玉良為他們的機(jī)智感到振奮不已?！按蜷_富勒烯形成平面”，他第一次在腦海里清晰地構(gòu)造出這樣一個(gè)全新結(jié)構(gòu)。

于是，李玉良回到實(shí)驗(yàn)室，找到幾位同事和學(xué)生開始了長(zhǎng)時(shí)間的討論，接著很快投入了實(shí)驗(yàn)工作。

不懼“失敗”，迎來(lái)曙光

然而，幾個(gè)月后，實(shí)驗(yàn)宣告失敗?！拔覀冋罩焕障┑慕Y(jié)構(gòu)，用傳統(tǒng)的化學(xué)方法合成到十幾個(gè)碳原子時(shí)，由于表面張力太大，難以控制合成過(guò)程?！崩钣窳颊f(shuō)。

所幸，曲折的經(jīng)歷沒有擊垮整個(gè)團(tuán)隊(duì)的信心。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)都堅(jiān)信，只要心中有目標(biāo)，就能想辦法把這種新材料做出來(lái)。

“科研中沒有‘失敗’，只有探索和教訓(xùn)，發(fā)現(xiàn)一條路沒走對(duì)，就可以節(jié)約時(shí)間聚焦在其他地方，把經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)變成‘成功之母’。”李玉良說(shuō)。

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(zhǎng)與自組裝”新方向，嘗試把“合成化學(xué)”和“納米技術(shù)”兩個(gè)概念結(jié)合起來(lái)。

通俗地說(shuō)，這項(xiàng)工作的目標(biāo)就是讓有機(jī)分子中的碳原子自己“裸露”出來(lái)，有序地“生長(zhǎng)”成二維全碳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

為了帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)有組織地開展基礎(chǔ)研究，李玉良專門安排科研人員圍繞“納米結(jié)構(gòu)”的方向深入耕耘，與其他研究方向的科研人員互相合作，齊心協(xié)力向前走。

漸漸地，李玉良科研團(tuán)隊(duì)在“納米結(jié)構(gòu)”方向上取得卓有成效的收獲，在銅基上生長(zhǎng)出系列有機(jī)納米結(jié)構(gòu)。研究成果陸續(xù)在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》等高水平學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表。

2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的科研人員用透明膠帶粘下一層層石墨層，獲得一個(gè)碳原子厚度的石墨烯。隨后，他們發(fā)現(xiàn)，單層石墨烯硬度高，卻有很好的韌性，是當(dāng)時(shí)已知導(dǎo)電性能最好的材料。常溫下極高的電子遷移率，使石墨烯成為制造高速晶體管的希望所在。石墨烯的發(fā)現(xiàn)，極大地鼓舞了李玉良團(tuán)隊(duì)。

理論上說(shuō)，他們夢(mèng)想中的“打開富勒烯”的平面結(jié)構(gòu)也具備同樣優(yōu)異的性質(zhì)，包括豐富的碳化學(xué)鍵、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性等?？茖W(xué)家認(rèn)為，這些天然特性和優(yōu)勢(shì)能夠解決當(dāng)前能源、催化、智能信息、生命科學(xué)和光電轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域面臨的難題。

與此同時(shí)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，高分辨電子顯微鏡和先進(jìn)光譜測(cè)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。科研人員迎來(lái)了絕佳的機(jī)會(huì)，他們終于能直接“看清”實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物了！

功夫不負(fù)有心人。2004年8月，李玉良團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)終于迎來(lái)轉(zhuǎn)機(jī)——經(jīng)過(guò)多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)，他們首次獲得了具有sp雜化的聚丁二炔納米線陣列。

在聚丁二炔中，碳原子與碳原子之間以兩種不同的化學(xué)鍵連接，具有“烯—炔”交替的特征。頗具特色的結(jié)構(gòu)特征，讓聚丁二炔成為全球科學(xué)家們追逐的“明星分子”。

電鏡下清晰的丁二炔結(jié)構(gòu)表征，成為李玉良團(tuán)隊(duì)通向全新碳材料之路上的“燈塔”，讓他們明確了前進(jìn)方向，為后續(xù)合成石墨炔奠定了基礎(chǔ)。

李玉良說(shuō)：“丁二炔納米線陣列的成功合成，讓我們堅(jiān)定了繼續(xù)做下去的信心。”

與此同時(shí)，他們也體會(huì)到“另辟蹊徑”對(duì)于原創(chuàng)研究的重要性?！伴L(zhǎng)期在單一研究領(lǐng)域，會(huì)制約我們的創(chuàng)新能力?！崩钣窳冀?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。”

為碳家族增添新成員

那是2009年春季的一天，科研人員照常來(lái)到實(shí)驗(yàn)室上班。誰(shuí)也沒有想到，這一天成了碳材料歷史上新的里程碑。

位于化學(xué)所3號(hào)樓的實(shí)驗(yàn)室里，幾位學(xué)生守著一臺(tái)高分辨電鏡，目不轉(zhuǎn)睛盯著顯示屏上不斷變化的過(guò)程。一幅獨(dú)特的圖像展現(xiàn)出來(lái)，他們清楚地觀察到碳原子整齊的排列和清晰的晶格。

“出來(lái)了！”碳原子以一種前所未有的排列方式，展示在他們面前，學(xué)生們興奮地將這個(gè)好消息告訴了李玉良。

石墨炔在高分辨率電鏡下的成像

這標(biāo)志著中國(guó)科學(xué)家在國(guó)際上首次成功通過(guò)合成化學(xué)方法獲得了新的碳同素異形體，石墨炔這種自然界不存在的物質(zhì)第一次真實(shí)地呈現(xiàn)在人類面前，為碳材料家族增添了新成員。

不久后，李玉良在課題組的組會(huì)上難掩內(nèi)心的激動(dòng)之情。他說(shuō)：“‘石墨炔’已經(jīng)誕生！以后我們課題組再也不用跟著做別人的材料了，我們一定要倍加珍惜，做好我們自己的碳材料！”

2010年，這項(xiàng)成果發(fā)表后，引發(fā)國(guó)際科技界廣泛關(guān)注。石墨烯發(fā)現(xiàn)者之一、諾貝爾獎(jiǎng)得主、英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆給李玉良發(fā)來(lái)了電子郵件，希望在石墨炔領(lǐng)域進(jìn)行合作，并寫道：“石墨炔是過(guò)去兩三年我一直渴望尋找的最完美的材料?！?/p>

“石墨炔是一種‘活’的碳材料。”李玉良介紹道，與傳統(tǒng)sp²碳材料不同，石墨炔表面分布著無(wú)限多的π鍵，這意味著原子之間電子可以自由移動(dòng)，讓這種材料產(chǎn)生新奇性質(zhì)。同時(shí)，石墨炔中的碳原子同時(shí)具有sp和sp²雜化，這使其表面電荷的分布非常不均勻，表面活性很高。

隨后，基于這些基本認(rèn)識(shí)，他們成功實(shí)現(xiàn)了石墨炔大面積、規(guī)模化制備，在10多年潛心研究的基礎(chǔ)上提出了全新的“炔烯互變”“非整數(shù)電荷轉(zhuǎn)移”“二維孔洞空間原子有序取代”“自擴(kuò)充載流子通道”和“新模式化學(xué)能轉(zhuǎn)換”等概念，拓寬了化學(xué)、材料、物理學(xué)等領(lǐng)域研究的發(fā)展空間。

這些原創(chuàng)性研究引領(lǐng)國(guó)際上眾多科學(xué)家積極參與該領(lǐng)域研究，推動(dòng)了碳材料科學(xué)的發(fā)展，并為碳材料研究帶來(lái)了難得的機(jī)遇。

同時(shí)，商業(yè)界也對(duì)石墨炔的應(yīng)用充滿了濃厚的興趣。英國(guó)《納米技術(shù)》雜志曾將石墨炔與石墨烯、硅烯共同列入未來(lái)最具潛力和商業(yè)價(jià)值的材料，并將石墨炔單列一章專門作了市場(chǎng)分析，認(rèn)為其將在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

目前，石墨炔已經(jīng)在催化、能源、光電、生命科學(xué)、新模式物質(zhì)轉(zhuǎn)化與能量轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域獲得系列原創(chuàng)性成果。李玉良團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)和建立了零價(jià)過(guò)渡金屬原子催化體系，零價(jià)過(guò)渡金屬原子催化新理念解決了催化領(lǐng)域長(zhǎng)期沒有解決的瓶頸問(wèn)題，為推進(jìn)新能源產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。他們發(fā)現(xiàn)的Pd0/GDY催化體系實(shí)現(xiàn)了催化性能變革性突破，是目前報(bào)道的最高的制氨產(chǎn)率催化劑。一系列研究使常溫常壓下高選擇性、高產(chǎn)率合成氨有可能變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

此外，團(tuán)隊(duì)提出的石墨炔表面電荷分布不均勻特性和“炔—烯互變”概念改變了傳統(tǒng)碳材料電化學(xué)儲(chǔ)能模式，在電子轉(zhuǎn)移、離子傳輸、能量傳遞與轉(zhuǎn)換等方面發(fā)現(xiàn)了系列新現(xiàn)象和新性質(zhì)，并提出與傳統(tǒng)碳材料完全不同的離子傳輸新機(jī)制。石墨炔作為負(fù)極儲(chǔ)鋰容量可高達(dá)2553mAh/g，儲(chǔ)鈉容量可高達(dá)2006mAh/g，是目前純碳材料中最高的。

實(shí)驗(yàn)室研制宏量合成石墨炔裝置 受訪者供圖

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，而研究團(tuán)隊(duì)也實(shí)現(xiàn)了為“中國(guó)牌”碳材料代言的目標(biāo)。26年前，曾經(jīng)不甘“只能跟在人家后面做研究”的學(xué)術(shù)志向、寧愿坐“冷板凳”也要瞄準(zhǔn)“制高點(diǎn)”的科研精神，讓李玉良團(tuán)隊(duì)創(chuàng)制了石墨炔這一全新材料。而今，在碳材料的探索之路上，這種志向和精神依然激勵(lì)著研究團(tuán)隊(duì)，向著新的“制高點(diǎn)”不斷前行?。ㄓ浾吒蕰?實(shí)習(xí)生李賀）

責(zé)任編輯：賀治瑞