从读大学开始，在每个阶段的学习生涯中，杨晶晶都有幸师从于化学领域的顶尖研究团队。
本科时，其导师是中国科学技术大学化学系的俞书宏院士；来到美国加州大学伯克利分校读博时，导师是“诺奖热门人选”的奥马尔·亚基（Omar Yaghi）院士；博士毕业后，又师从于哥伦比亚大学化学系科林·纳科尔斯（Colin Nuckolls）院士。
2021 年，杨晶晶加入美国通用电气公司担任研究科学家一职，目前负责两项能源相关的课题。前不久，他在博后期间的论文发表于 Nature，这也是 2023 开年以来高分子领域的首篇 Nature 论文。
图 | 杨晶晶（来源：杨晶晶）
2023 年第一篇高分子 Nature 论文
研究中，他和合作者报道了一种宏观层状晶体，其具备电荷中性、纯碳基等特点。通过机械剥离，这些晶体可以产生具有干净界面的中性碳二维分子薄片。
尽管这种二维分子薄片类似于石墨烯，但却是一种由共价键连接的、以富勒烯作为结构基元构成的层状二维材料。在外观上，呈现出六角形状的排列形式。
（来源：Nature）
获得这种宏观层状晶体的关键，是通过稀酸处理化学气相传输生长的富勒烯碱土金属复合物，从而造出富勒烯层状聚合物的单晶。
这种处理方式可以保留原始结构中的碳碳共价键，并能去除其中的插层碱土金属，从而形成机械剥离的、电荷中性的二维共价富勒烯网络。
去除掺杂金属离子并获得中性的纯碳材料，是一个重要的研究步骤。它可以为机械剥离打下基础，并能显著影响材料的性质。
例如，在脱除掺杂金属镁后，课题组观察到材料的光致发光强度增加两个数量级以上。
相比此前学界发现的聚合富勒烯物种，由于面内富勒烯基元之间的独特键合结构，中性的二维共价网络显示出更高的热稳定性。并且，其热传导性能比分子富勒烯晶体高出近一个数量级。
另外，通过使用透射电子显微镜和近场纳米光致发光光谱，该团队对少层石墨烯薄片加以成像，借此揭示了莫尔超晶格的存在。
这说明这种二维材料能被作为可行性平台，以用于进行莫尔工程，进而去定制激子系统，并有望调节二维异质结构材料的光电特性。
高质量的电荷中性全碳宏观晶体，能用于直接剥离并获得表面没有反离子或污染物的二维薄片，从而满足创建高质量异质结构和光电设备的要求。
（来源：Nature）
不过，这种由富勒烯基元共价连接而成的电荷中性二维全碳网络，是一种全新的碳材料形式，针对它的研究尚处于早期阶段，诸多性能尚未被探索。
目前来看，该材料具有很好的导热性，因而有望用于电子、航空航天、汽车、国防等需要热管理的散热场景。另外，这种材料也具备用于构筑莫尔超晶格的潜力，进而能用于构建受限光学和量子设备等。
近日，相关论文以《富勒烯的几层共价网络》（A few-layer covalent network of fullerenes）为题发表在 Nature 上 [1]。
图 | 相关论文（来源：Nature））
纽约哥伦比亚大学化学系埃琳娜·梅尔扎德（Elena Meirzadeh）博士是第一作者兼共同通讯；同一院系的迈克尔·L·施泰格瓦尔德（Michael L. Steigerwald）教授、杨晶晶博士、科林·纳科尔斯（Colin Nuckolls）教授、泽维尔·罗伊（Xavier Roy）教授担任共同通讯作者。
如何拓宽人类合成碳材料的方式？
碳，是本次研究的一个关键词。碳，也是日常生活中无处不在的一种元素，由于其多元化的键合方式，它既可以作为主要成分来促进有机生命体的诞生，也可以形成形形色色种类繁多的功能材料进而服务于人类。正因于此，碳材料一直是科学界的“明星”。
全碳材料的研究更是引入入胜，并已取得相当多的成就。例如，1985 年哈罗德·克罗托（Harold W. Kroto）、理查德·埃利特·斯莫利（Richard E. Smalley）和罗伯特·柯尔（Robert F. Curl Jr.）发现了全碳分子富勒烯 (fullerene)，并于 1996 年获得诺贝尔化学奖。
1991 年，日本科学家饭岛澄男（Sumio Iijima）发现了一维碳纳米管 (carbon nanotube); 2004 年，荷兰物理学家安德烈·海姆（Andre Geim）和俄罗斯物理学家康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Kostya Novoselov）发现了二维石墨烯（graphene），后两者于 2010 年获得诺贝尔物理学奖。
通过碳原子直接构筑全碳材料，已经带来了许多新的碳物质形式的发现，并继续展现出无穷的发展潜力。
其中，一个潜在的新领域是利用纳米尺度的富勒烯分子，替代碳原子作为结构基元，用来筑新的碳材料形式。
如能实现，则将搭建起分子型碳材料与拓展型碳材料的桥梁，无疑将大大拓宽人类合成碳材料的方式，并催生更多具备有趣性能的碳同素异形体的发现。
（来源：Nature）
互不相识的团队，为了相似的目标而奋斗
而本次研究要从 2019 年说起，当时杨晶晶加入 Colin Nuckolls 课题组已有一年多，那时他正在研究利用纳米结构基元——一种被他们称为“超原子（superatom）”的纳米团簇，这种纳米团簇和富勒烯分子可以一起组装成具有新型光电性能的新材料。
彼时，杨晶晶已经开发了首个基于结构各向异性超原子组装材料，也实现了首个在纳米超原子尺度构筑的固溶体型材料，相关论文也已收录于 JACS 和 Nature Chemistry。
在这一系列的研究中，杨晶晶注意到由于超原子团簇与富勒烯之间电荷转移，会导致一种富勒烯分子的自发聚合现象。
他说：“这些现象让我觉得富勒烯分子可以直接聚合，由于我在研究生阶段曾经利用分子结构单元共价，构筑了多孔金属有机骨架材料，所以我产生了一个很有意思的想法：能否用富勒烯作为结构基元并用共价键连接构筑新型碳材料？”
在调研文献时，他发现了大量关于金属掺杂富勒烯聚合物的文献，包括一篇关于镁掺杂二维富勒烯聚合物 Mg2C60 大单晶的论文，该晶体结包含了一种富勒烯结构，它以镁插层为基础并采用二维共价键方式连接，外观上呈四方排列形。
基于这些文献调研，杨晶晶决定利用富勒烯作为结构基元，以用于构筑类似石墨烯的二维材料。然而，由于层间强大的离子键合力，金属掺杂的富勒烯复合物是无法被剥离的。
因此，推进这一研究的前提是，得找到剥离富勒烯层的合适方法。2020 年初，杨晶晶使用化学气相传输法，合成了具有类似石墨烯六方排列的、由富勒烯连接结构的 Mg4C60 单晶。
随后，他开发了利用稀酸处理去除插层金属，进而获得电荷中性全碳宏观晶体的方法。由于富勒烯层间仅仅只存在分子间范德华力，对于处理后的晶体来说，可以使用胶带法将其剥离成少层，而这便是本次工作的起点。
之后，则是不断地优化合成方法、结构表征与性能研究。大家也可以看到，这是一项合作型研究，论文作者也有多位。对此，杨晶晶表示：“2020 年初，当我向导师首次提出通过共价连接富勒烯，构筑类似石墨烯的二维材料的想法时，我们俩都无比的激动，甚至还给尚未诞生的新材料取了个名字巴基球烯（富勒烯又名巴基球，但在终版论文里他们采用了 graphullerene 这一命名）。”
在当时，杨晶晶面临的现实的问题是，组里并没有化学气相传输设备，这也意味着无法合成金属掺杂的富勒烯复合物前驱体。
他说：“这时合作的重要性开始体现，我们联系了拥有该设备的同院系的 Xavier Roy 教授，然后开启了相关合作。”
随后，杨晶晶又分别和同院系的 Xiaoyang Zhu 教授开展光学研究、以及和纽约巴纳德学院化学系的安德鲁 C. 克劳瑟（Andrew C. Crowther）教授开展拉曼光谱研究。
此外，哥伦比亚大学机械工程系的 P. 詹姆斯·舒克（P. James Schuck）教授、哈佛大学物理学教授金必立（Philip Kim）也加入了光电热性能研究的合作。
（来源：Nature）
2021 年，杨晶晶加入通用电气公司。他说：“我将这个项目转交给 Xavier Roy 团队的博士后 Elena Meirzadeh、以及 Colin Nuckolls 团队的研究生 Si Tong Bao 等同事。她们对于该项目的贡献是巨大的，例如进一步优化了稀酸处理策略，以及探索了该材料的热学性能和莫尔超晶格现象等。”
2022 年中旬，正值论文投稿之时，课题组注意到中科院化学所 Jian Zheng 教授在 Nature 上发表的一篇论文，介绍了单层富勒烯共价网络 [2]。
Jian Zheng 团队的论文主要报道了利用有机大尺寸阳离子，取代碱土金属插层金属富勒烯复合物，从而可以剥离带电二维富勒烯的共价单层。
这项工作与杨晶晶的工作高度相关，但是使用了不同的剥离方法，并获得了具有不同性质的二维富勒烯共价连接网络。“这让人不禁感慨世界的奇妙：互不相识的研究团队为了相似的目标而奋斗，使用不同的策略而获得了不同的新材料，然后又大致在相同的时间尺度完成，科学正是充满这样的丰富多彩！”他说。
尽管已经离开校园，但他仍在关注相关研究。杨晶晶表示：“对于研究富勒烯基元共价连接而成的电中性二维材料来说，本次论文只是一个起点。推进结构调制和性能探索，将是下一步的重点。”
另外，鉴于该材料与其他多种原子级薄的晶体可以进行组装，因此在构筑二维异质结构上，极有可能带来更多意想不到的性能。”
参考资料：
1.Meirzadeh, E., Evans, A.M., Rezaee, M.et al. A few-layer covalent network of fullerenes. Nature 613, 71–76 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05401-w
2.Nature 606, 507-510 (2022)
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