石墨炔粉末。

1998年至2009年的10多年間，李玉良帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)攻堅(jiān)克難、不懼失敗，最終另辟蹊徑，在世界上首次通過(guò)合成化學(xué)方法大規(guī)模制備出石墨炔薄膜，并用“石墨炔”對(duì)其進(jìn)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(shí)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(xué)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(xué)開辟了新的領(lǐng)域和方向，也讓中國(guó)科學(xué)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(guó)際上產(chǎn)生了重要影響，而中國(guó)科學(xué)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(diǎn)”

作為地球上最常見的化學(xué)元素之一，碳原子的最外層有4個(gè)電子，因此每個(gè)碳原子可以與其他非金屬原子形成4對(duì)共用電子對(duì)。也就是說(shuō)，碳原子總是與其他非金屬原子通過(guò)4個(gè)化學(xué)鍵相連。

這樣的組合讓碳原子具有獨(dú)特的空間結(jié)構(gòu)，能夠形成多種復(fù)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(xué)性質(zhì)的不同，碳材料的新奇特性常常給科學(xué)家?guī)?lái)驚喜。例如，柔軟的鉛筆芯和堅(jiān)硬的金剛石都是碳原子通過(guò)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(xué)家用“雜化軌道理論”來(lái)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(gè)碳原子組成一個(gè)個(gè)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(xué)家在探索宇宙空間星際塵埃的組分時(shí)，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(dòng)。在物質(zhì)科學(xué)“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的普遍認(rèn)識(shí)下，科學(xué)家相信，新結(jié)構(gòu)碳材料具有的全新物理和化學(xué)性質(zhì)，一旦廣泛應(yīng)用將為人類社會(huì)帶來(lái)重大變革。

在化學(xué)所，科研人員及時(shí)對(duì)這一領(lǐng)域進(jìn)行了研究部署。在中國(guó)科學(xué)院院士朱道本的帶領(lǐng)下，化學(xué)所科研團(tuán)隊(duì)在富勒烯的基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)方面開展了深入研究。實(shí)驗(yàn)室里，富勒烯最新研究進(jìn)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(jìn)入千禧年，我國(guó)科學(xué)家在富勒烯研究方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。2002年，朱道本領(lǐng)銜的“C₆₀的化學(xué)和物理若干基本問(wèn)題研究”獲得國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，這是碳材料第一次獲得國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)。在學(xué)者們看來(lái)，通過(guò)對(duì)富勒烯的研究，我國(guó)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(xué)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(duì)碳材料的研究比較深入。

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

當(dāng)時(shí)，基于在國(guó)外工作和參加學(xué)術(shù)會(huì)議期間的一些親身經(jīng)歷，李玉良深深感受到中國(guó)學(xué)者在國(guó)際上學(xué)術(shù)地位不高?！拔覀儑?guó)家很難獲得國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議的主辦權(quán)。并且，中國(guó)學(xué)者的身影很少出現(xiàn)在國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議大會(huì)報(bào)告和邀請(qǐng)報(bào)告的講臺(tái)上?！崩钣窳颊f(shuō)。

對(duì)此，李玉良認(rèn)為，根本原因在于當(dāng)時(shí)中國(guó)創(chuàng)造性的科學(xué)成果較少、科學(xué)研究的引領(lǐng)性不強(qiáng)，沒有得到國(guó)際上的關(guān)注。因此，他進(jìn)一步增強(qiáng)了信念——要做中國(guó)人自己的碳材料！

從那時(shí)起，他和團(tuán)隊(duì)就以做中國(guó)原創(chuàng)的碳材料為追求?！岸颊f(shuō)做基礎(chǔ)研究是坐‘冷板凳’，是很辛苦的，但這是做科研必須面對(duì)的?！崩钣窳颊f(shuō)，“相比辛苦，我更擔(dān)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(dǎo)學(xué)生開展科研。

“沒辦法證明自己是對(duì)的”

剛開始產(chǎn)生制備全新碳材料的想法時(shí)，李玉良和研究團(tuán)隊(duì)有些迷茫，因?yàn)橥ㄟ^(guò)合成化學(xué)方法獲得新結(jié)構(gòu)的全碳材料在國(guó)際上并無(wú)先例。因此，一開始他就把目標(biāo)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(yàn)可以借鑒的情況下，李玉良帶著七八個(gè)人的小團(tuán)隊(duì)，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(zhǎng)等方法，卻發(fā)現(xiàn)這些方法很難獲得想要的目標(biāo)產(chǎn)物，當(dāng)時(shí)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(dāng)時(shí)落后的表征技術(shù)成為一大掣肘。

從20世紀(jì)90年代中期到2005年前后，我國(guó)的儀器設(shè)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(tuán)隊(duì)在結(jié)構(gòu)表征上遇到很大的困難。

李玉良說(shuō)：“碳的原子結(jié)構(gòu)尺寸在0.1納米的數(shù)量級(jí)，但當(dāng)時(shí)的電子顯微鏡分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到這個(gè)水平。再加上反應(yīng)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分離難度相當(dāng)大?！?/p>

在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，李玉良帶著團(tuán)隊(duì)成員到處尋找能夠解決問(wèn)題的辦法，實(shí)驗(yàn)也很難按照自己的想法順利開展，研究一度陷入瓶頸。

化學(xué)合成的結(jié)果就像一個(gè)個(gè)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(shuō)不清，實(shí)驗(yàn)可能做對(duì)了，但我們沒辦法證明自己是對(duì)的?！保ㄓ浾吒蕰?實(shí)習(xí)生李賀）

（未完待續(xù)）

責(zé)任編輯：魏敏