原文作者：J. Michael Gottfried

由碳制成的二維材料一直限于單層原子材料，如石墨烯。如今，通過從晶體上剝離下層狀原子，我們得到了巴基球（球形原子團(tuán)簇）組成的薄層。

自從發(fā)現(xiàn)單原子厚度的碳薄片（石墨烯）具有獨(dú)特性質(zhì)，碳基二維納米材料就廣受研究和技術(shù)關(guān)注。制造二維納米材料的主要方法有兩種：從較小的單元（例如原子或分子）開始構(gòu)建；或者從三維晶體上剝離單層材料。Hou [ 1 ] 等人在《自然》上撰文表明，這兩種方法可以結(jié)合起來制造一種新形式的碳，它由足球形狀的 C60 分子組成，俗稱巴基球（buckyball），由碳 - 碳鍵（C-C）連接（圖 1a）。這種聚合材料的特性，使其可能適合二維電子和光電器件的用途。

圖 1 | 二維碳材料的合成。a，Hou 等人 [ 1 ] 制備了一種二維碳材料，由橫向連接的單層 " 巴基球 "（足球形狀的 C60 分子）薄片組成。b，該材料通過用鎂加熱自由巴基球，直到它們之間形成共價(jià)碳 - 碳鍵，從而制成。由此產(chǎn)生的帶負(fù)電荷的、連接分子組成的單層，被帶正電荷的鎂離子牢固地結(jié)合起來。然后，用更大的有機(jī)離子取代鎂離子，減少層與層之間的相互作用，讓單層碳薄片可以剝離下來。最后，用過氧化氫進(jìn)行處理，中和薄片上的電荷，去除有機(jī)反離子，從而產(chǎn)生干凈、電中性的碳聚合物二維單層。

Hou 和同事通過用鎂粉加熱巴基球來制造這種材料，這導(dǎo)致相鄰分子之間形成 C-C 鍵（圖 1b）。奇怪的是，這個(gè)過程并沒有將各個(gè)方向的分子連接起來產(chǎn)生三維網(wǎng)絡(luò)。取而代之的是，他們獲得了由巴基球連接形成的二維層，層之間的鎂離子將層與層結(jié)合在一起形成晶體。

根據(jù)反應(yīng)混合物中碳與鎂原子的比例，層中可以得到兩種不同的巴基球排列。兩者都基于由成對 C-C 鍵連接的巴基球分子直鏈。其一為一種矩形結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)巴基球與四個(gè)相鄰分子結(jié)合，另一個(gè)（圖 1a）是蜂窩型晶格，其中每個(gè)巴基球有六個(gè)相鄰分子。

Hou 等人發(fā)現(xiàn)，這些二維聚合物層無法直接從晶體上剝離，因?yàn)殒V離子與帶負(fù)電的碳層牢牢結(jié)合，將它們粘了起來。因此，作者使用化學(xué)過程去除了鎂離子，用帶正電荷的大有機(jī)離子（四丁基銨離子）取而代之。與鎂的結(jié)合系統(tǒng)相比，這些大分子增加了碳片間的距離，減少了薄片間的相互作用，從而使其可以從晶體中被層狀剝離。在二維蜂窩結(jié)構(gòu)的情況下，剝離導(dǎo)致單層分離，作者使用一系列分析技術(shù)對其進(jìn)行了研究。對于具有矩形結(jié)構(gòu)的晶體，剝離會(huì)獲得由幾層薄片組成的堆疊物。

Hou 和同事觀察到，剝離的碳層仍然帶負(fù)電。要保持電中性，四丁基銨離子仍與薄片結(jié)合在一起——這可能不利于未來的技術(shù)應(yīng)用。然而，作者表明，蜂窩結(jié)構(gòu)材料中的電荷可以通過用過氧化氫處理來中和，去除有機(jī)離子并產(chǎn)生干凈的、電中性的碳聚合物二維單晶。

二維單晶具有很高的熱穩(wěn)定性和良好的環(huán)境穩(wěn)定性——也就是說，它們可以作為分散體在室溫下、空氣條件下儲(chǔ)存在溶劑中至少一個(gè)月，而不會(huì)出現(xiàn)聚集跡象。它們還表現(xiàn)出各種引人注目的特性，例如各向異性電導(dǎo)率，這意味著通過材料的電子傳輸效率取決于電流流動(dòng)的方向。與半金屬石墨烯和電絕緣巴基球分子不同，Hou 和同事們研究出的這種材料是一種半導(dǎo)體，這使其可能適用于二維電子和光電器件，例如晶體管和發(fā)光二極管。

這種材料使碳可存在的形式（同素異形體）更加豐富多彩了。幾個(gè)世紀(jì)以來，已知碳的同素異形體只有兩種：石墨，由堆疊的石墨烯片層組成；還有金剛石，它是石墨廣受歡迎但不太穩(wěn)定的兄弟，其中碳原子形成三維立方晶格。1985 年，人們在實(shí)驗(yàn)中分離出了高度對稱的碳分子富勒烯（fullerenes），其中以巴基球最為著名 [ 2 ] ；富勒烯家族現(xiàn)在還包括具有圓柱形結(jié)構(gòu)的成員，即碳納米管。然后到了 2004 年，另一個(gè)突破性的發(fā)展是石墨的剝離，單層石墨烯誕生了 [ 3 ] 。

石墨烯的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著二維材料領(lǐng)域蓬勃發(fā)展的開始。此后，這些材料已有許多類別得到發(fā)現(xiàn)和深入研究，但令人驚訝的是，在新型二維碳材料領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)研究很少。在理論研究中，有幾種二維碳同素異形體（即石墨烯的異構(gòu)體）已被預(yù)測具有非凡特性。然而，缺乏合成這些同素異形體的方法，令其制備難以實(shí)現(xiàn)。

這種情況正在開始改變，在過去一年左右的時(shí)間里，已經(jīng)合成了一些石墨烯異構(gòu)體，如聯(lián)苯網(wǎng)絡(luò)（biphenylene network） [ 4 ] 和 γ- 石墨炔 ( γ-graphyne ) [ 5 ] 。像 Hou 和同事研制的聚合物一樣，這些材料可能表現(xiàn)出各向異性電導(dǎo)率和其他奇特的性質(zhì) [ 6 ] 。這類實(shí)驗(yàn)突破有望重振人們對二維碳材料的興趣，并最終可能使其走向器件應(yīng)用。

回頭看看，可以用巴基球聚合物制造新的低維（一維或二維）碳材料看來很合邏輯。人們已經(jīng)知道，在壓力下 [ 7 ] 或用鉀等堿金屬 [ 8 ] 加熱這些分子，會(huì)形成低維聚合物，如一維鏈 [ 7 ] 或二維片 [ 9 ] 。然而，過去不可能分離出這些碳聚合物的單層。其他工作表明，晶體中分子的反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致二維聚合物形成，然后可以將其剝離 [ 10 ] 。Hou 和他的同事們的重要進(jìn)展是結(jié)合了這些先前報(bào)道的方法，精細(xì)合成、剝離和描述了由聚合巴基球形成的單層薄片。

在從類似層狀材料中剝離單個(gè)薄片的方法變得可行之后，對石墨烯等二維材料的詳細(xì)研究才蓬勃發(fā)展起來。Hou 和同事們的發(fā)現(xiàn)，同樣為進(jìn)一步研究他們的碳聚合物開辟了道路，目前這種薄片的尺寸（最多 80 微米）應(yīng)該大到足以在電子設(shè)備中進(jìn)行某些應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)演示。更廣泛地說，目前的研究表明，層狀碳晶體的整體合成和后續(xù)剝離是生產(chǎn)新型碳納米材料的一種有前景的通用方法，并且比別的替代方法（如在表面上合成二維材料）更容易大面積制備。