華裔博士攻克下一代'神奇材料'石墨炔

石墨炔(graphyne 下圖 arxiv)是繼富勒烯、碳納米管、石墨烯之後，一種新的全碳納米結構材料。石墨炔被稱作最穩定的一種人工合成的二炔碳的同素異形體。由於其特殊的電子結構及類似矽那樣的優異半導體性能，石墨炔的方向選擇性使納米尺度的電子光柵成為可能，因而會有助於開發更快的晶體管和納米尺度電子元件。石墨炔還是一種非常有前景的理想儲鋰能源材料。由此，石墨炔在電子、半導體以及新能源領域有著廣泛的應用前景。人們在研究石墨烯(graphene)上取得一係列成就，很大程度上加速了科技界對石墨炔(graphyne)的研究。

由於“神奇材料”石墨烯(graphene)的許多優點，長期以來一直受到科學家的關注，和工業界的高度重視，對石墨烯的研究甚至於2010年獲得了諾貝爾物理學獎 (下圖1 THE NOBEL PRIZE)。而石墨炔(graphyne)不但具備石墨烯(graphene)的許多優點，同時還有一些石墨烯不具有的特性，故近年來石墨炔研究在科技界有著非常大的吸引力。根據已知文獻顯示，世界上最早的石墨炔(graphyne)是由中國科學院院士、中科院化學研究所研究員李玉良及團隊於2010年實際人工合成出來的 (下圖2 Chem-Station)。自那以後，世界上已經有60多個國家和地區的500多個研究團隊對石墨炔開展研究。但迄今為止人類在人工製備石墨炔(graphyne)方麵進步十分有限，使石墨炔(graphyne)更多的是主要存在於計算機模型中的一種理論材料。

但這種石墨炔(graphyne)的人工製備停滯的情況，因一位華裔教授和他指導的團隊取得的最新成績，有望得到改觀。張偉(下圖1 University Of Colorado Boulder)是科羅拉多大學博爾德分校(University Of Colorado At Boulder)的化學教授，他研究領域為可逆化學，這是一種允許鍵自校正的化學，允許創建新的有序結構或晶格，如合成類DNA聚合物。最近，張偉教授帶領他的實驗室小組使用一種稱為炔烴複分解的有機反應，以及熱力學和動力學控製，成功地創造出了石墨炔(graphyne)這一可與石墨烯的導電性相媲美但具有控製能力的材料。這項研究成果於2022年5月9日在《自然合成》(Nature Synthesis)雜誌上公布。據認為該研究成果填補了碳材料科學的一個長期空白，可能為電子、光學和半導體材料研究開辟全新的可能性。該篇論文的第一作者為胡一鳴(Yiming Hu 下圖2 University Of Colorado Boulder)，係科羅拉多大學博爾德分校(University Of Colorado At Boulder)新近畢業的化學專業博士。

“石墨烯(graphene)和石墨炔(graphyne)之間有很大的差別，”張偉教授說。“這可能是下一代神奇材料。這就是為什麽人們非常興奮。”張在談到下一步工作時說，他們的研究將弄清楚這種材料的電子導電和光學特性如何用於鋰離子電池等工業應用。在談到該項研究的應用前景時，論文第一作者為胡一鳴博士說：“我們希望未來能夠降低成本，簡化反應過程，然後，希望人們能從我們的研究中真正受益。” (下圖1 Research Gate) 猶如現代科學其它領域所取得的進步一樣，石墨炔(graphyne)人工製備的成功於是不同學科協力合作的成果。張教授就反複指出他的實驗小組(下圖2 University Of Colorado Boulder)能成功研製出石墨炔，得益於跨學科團隊的支持：“沒有物理係的支持，沒有同事的支持，這項工作可能無法完成。”

值得指出的是，如果留心該篇論文作者的名字，你會感到熟悉而親切，因為大部分似華人姓名(譯音) --  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 (譯音： 胡一鳴、吳晨宇、潘慶炎、金英華、呂瑞、維金娜·馬丁內斯、黃少鋒、吳靜怡、萊西·J·韋門特、諾埃爾·A·克拉克、馬庫斯·B·拉施克、趙英傑和張偉)。或許，這是拜登政府今年3月放棄了川普在科技領域打壓華人的“中國行動計劃”(China Initiative)重要原因之一 -- 有太多的華裔學者科學家在為美國的強盛作貢獻。

參考資料

Hu, Y. et all. (2022). Synthesis of γ-graphyne using dynamic covalent chemistry. nature synthesis. 鏈接 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. 鏈接  https://scitechdaily.com/graphyne-long-hypothesized-next-generation-wonder-material-created-for-first-time/