當時，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。他在腦海里無數(shù)次地“畫”出碳原子排布的模型，推演化學反應(yīng)如何能產(chǎn)生合適的化學鍵以形成這樣的結(jié)構(gòu)。

sp雜化的碳材料之所以受到關(guān)注，正是因為其特殊的化學鍵“π鍵”。在這種化學鍵中，原本束縛在某一個原子周圍的電子可以在兩個或多個原子之間自由“奔跑”。自20世紀初，美國化學家鮑林在提出共振、雜化概念時，就對這類π鍵進行了闡述。隨后，一代又一代化學研究者圍繞π鍵及其相關(guān)材料開展了深入研究。

1998年初，一次由物理學家發(fā)起的學術(shù)會議，給李玉良帶來了啟發(fā)。

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

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

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

于是，李玉良回到實驗室，找到幾位同事和學生開始了長時間的討論，接著很快投入了實驗工作。

不懼“失敗”，迎來曙光

然而，幾個月后，實驗宣告失敗。“我們照著富勒烯的結(jié)構(gòu)，用傳統(tǒng)的化學方法合成到十幾個碳原子時，由于表面張力太大，難以控制合成過程?！崩钣窳颊f。

所幸，曲折的經(jīng)歷沒有擊垮整個團隊的信心。他們沒有急于出結(jié)果，而是不斷在理論和實驗中積累“經(jīng)驗值”。

研究團隊都堅信，只要心中有目標，就能想辦法把這種新材料做出來。

“科研中沒有‘失敗’，只有探索和教訓，發(fā)現(xiàn)一條路沒走對，就可以節(jié)約時間聚焦在其他地方，把經(jīng)驗教訓變成‘成功之母’?！崩钣窳颊f。

傳統(tǒng)的化學合成方法行不通，這讓李玉良意識到，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“共軛有機納米結(jié)構(gòu)可控生長與自組裝”新方向，嘗試把“合成化學”和“納米技術(shù)”兩個概念結(jié)合起來。

通俗地說，這項工作的目標就是讓有機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)。

為了帶領(lǐng)團隊有組織地開展基礎(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，李玉良科研團隊在“納米結(jié)構(gòu)”方向上取得卓有成效的收獲，在銅基上生長出系列有機納米結(jié)構(gòu)。研究成果陸續(xù)在《美國化學會志》《德國應(yīng)用化學》等高水平學術(shù)期刊上發(fā)表。

2004年，英國曼徹斯特大學的科研人員用透明膠帶粘下一層層石墨層，獲得一個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，是當時已知導電性能最好的材料。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隊。

理論上說，他們夢想中的“打開富勒烯”的平面結(jié)構(gòu)也具備同樣優(yōu)異的性質(zhì)，包括豐富的碳化學鍵、優(yōu)異的化學穩(wěn)定性等。科學家認為，這些天然特性和優(yōu)勢能夠解決當前能源、催化、智能信息、生命科學和光電轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域面臨的難題。

與此同時，隨著科學技術(shù)的進步，高分辨電子顯微鏡和先進光譜測試儀器的出現(xiàn)，推動了碳材料表征技術(shù)的快速發(fā)展?？蒲腥藛T迎來了絕佳的機會，他們終于能直接“看清”實驗產(chǎn)物了！

功夫不負有心人。2004年8月，李玉良團隊的實驗終于迎來轉(zhuǎn)機——經(jīng)過多次反復(fù)實驗，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，成為李玉良團隊通向全新碳材料之路上的“燈塔”，讓他們明確了前進方向，為后續(xù)合成石墨炔奠定了基礎(chǔ)。

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

與此同時，他們也體會到“另辟蹊徑”對于原創(chuàng)研究的重要性?！伴L期在單一研究領(lǐng)域，會制約我們的創(chuàng)新能力?！崩钣窳冀?jīng)常這樣教導團隊中的青年科研人員，“做科研必須學會拓展和吸納多種學科的知識，并融合到自己的研究中，這樣才能不落窠臼，取得更大的進步?！?/p>

為碳家族增添新成員

那是2009年春季的一天，科研人員照常來到實驗室上班。誰也沒有想到，這一天成了碳材料歷史上新的里程碑。

位于化學所3號樓的實驗室里，幾位學生守著一臺高分辨電鏡，目不轉(zhuǎn)睛盯著顯示屏上不斷變化的過程。一幅獨特的圖像展現(xiàn)出來，他們清楚地觀察到碳原子整齊的排列和清晰的晶格。

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

石墨炔在高分辨率電鏡下的成像

這標志著中國科學家在國際上首次成功通過合成化學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上難掩內(nèi)心的激動之情。他說：“‘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，這項成果發(fā)表后，引發(fā)國際科技界廣泛關(guān)注。石墨烯發(fā)現(xiàn)者之一、諾貝爾獎得主、英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆給李玉良發(fā)來了電子郵件，希望在石墨炔領(lǐng)域進行合作，并寫道：“石墨炔是過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?！崩钣窳冀榻B道，與傳統(tǒng)sp²碳材料不同，石墨炔表面分布著無限多的π鍵，這意味著原子之間電子可以自由移動，讓這種材料產(chǎn)生新奇性質(zhì)。同時，石墨炔中的碳原子同時具有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，基于這些基本認識，他們成功實現(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”“自擴充載流子通道”和“新模式化學能轉(zhuǎn)換”等概念，拓寬了化學、材料、物理學等領(lǐng)域研究的發(fā)展空間。

這些原創(chuàng)性研究引領(lǐng)國際上眾多科學家積極參與該領(lǐng)域研究，推動了碳材料科學的發(fā)展，并為碳材料研究帶來了難得的機遇。

同時，商業(yè)界也對石墨炔的應(yīng)用充滿了濃厚的興趣。英國《納米技術(shù)》雜志曾將石墨炔與石墨烯、硅烯共同列入未來最具潛力和商業(yè)價值的材料，并將石墨炔單列一章專門作了市場分析，認為其將在諸多領(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、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。李玉良團隊發(fā)現(xiàn)和建立了零價過渡金屬原子催化體系，零價過渡金屬原子催化新理念解決了催化領(lǐng)域長期沒有解決的瓶頸問題，為推進新能源產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展作出了重要貢獻。他們發(fā)現(xiàn)的Pd0/GDY催化體系實現(xiàn)了催化性能變革性突破，是目前報道的最高的制氨產(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。

此外，團隊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)碳材料電化學儲能模式，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制。石墨炔作為負極儲鋰容量可高達2553mAh/g，儲鈉容量可高達2006mAh/g，是目前純碳材料中最高的。

實驗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)成為一個活躍的研究領(lǐng)域，而研究團隊也實現(xiàn)了為“中國牌”碳材料代言的目標。26年前，曾經(jīng)不甘“只能跟在人家后面做研究”的學術(shù)志向、寧愿坐“冷板凳”也要瞄準“制高點”的科研精神，讓李玉良團隊創(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著研究團隊，向著新的“制高點”不斷前行?。ㄓ浾吒蕰?實習生李賀）

責任編輯：賀治瑞