二维(2D)材料因其独特的电子和光学特性而备受关注，这些特性源于单层极限中的量子限制。自从发现被称为石墨烯的单原子厚的碳片具有独特的性能以来，碳基二维纳米材料在研究和技术领域受到了广泛关注。由共轭碳网络结构组成的二维碳材料表现出卓越的载流子传输特性，这源于其独特的π电子系统。碳成分作为元素周期表中用途最广泛的元素之一，可以与自身或几乎所有元素结合，形成sp、sp2和sp3杂化。通过改变杂化碳原子网络中的周期性结合基序，已经表明二维碳材料在其物理性质上具有很大的多样性，包括从金属、半导体或绝缘体的可调带隙，并且它们具有在晶体管能量存储设备和超导体中的多种应用。
目前制造二维纳米材料有两种主要方式，第一为从下而上的方法：从较小的单位，如原子或分子建立起来；第二为从上而下的方法：从三维晶体中剥离单层材料。合成碳同素异形体因其出色的性能和潜在的应用而令人着迷。科学家们几十年来一直致力于合成新型碳材料。然而，迄今为止尚未成功合成具有独特结构的二维富勒烯。
鉴于此，最新一期《Nature》在线报道中国科学院化学研究所郑健教授、朱道本院士、刘云圻院士合作开发的一种新的层间键合裂解策略，制备了二维单层聚合富勒烯。
Figure 1. 二维单层聚合物C60的结构
研究人员制备了嵌入镁的C60块状晶体作为剥离反应的前体。然后，他们利用配体辅助的阳离子交换策略将层间键切割成块状晶体，这导致块状晶体剥落成单层纳米片。通过单晶X射线衍射和扫描透射电子显微镜(STEM)探索了单层聚合物C60的结构。在这种单层聚合物C60中，C60的簇笼在一个平面内彼此共价键合，形成不同于传统二维材料的规则拓扑结构。此外，单层聚合物C60表现出有趣的面内各向异性特性和1.6eV的适中带隙，这使其成为用于电子设备的潜在候选者。
Figure 2. 材料合成策略
【制备与表征】
具体而言，作者根据反应混合物中碳与镁原子的比例，可以在层中获得两种不同排列的富勒烯。两者都基于由成对的 C-C 键连接的富勒烯分子直链。一个是矩形结构，其中每个富勒烯绑定到四个邻位碳，另一个是蜂窝型格子，其中每个富勒烯有六个邻位碳。
此外，作者发现这些二维聚合物层不能直接从晶体上剥离，因为镁离子与带负电的碳片紧密结合，将它们粘合在一起。因此，作者使用化学过程去除了镁离子，并用带正电的大有机离子（四丁基铵离子）代替它们。与镁结合系统相比，这些大分子增加了碳片之间的距离，并减少了片之间的相互作用，从而可以从晶体中剥离层。在2D蜂窝结构的情况下，剥离导致单层分离。对于具有矩形结构的晶体，获得了由几层薄片组成的叠层。作者观察到剥离的碳层仍然带负电。为了保持电荷中性，四丁基铵离子仍然与薄片结合——这可能不利于未来的技术应用。然而，作者表明，蜂窝材料中的电荷可以通过用过氧化氢处理来中和，去除有机离子并产生清洁的、电中性的碳聚合物二维单晶。
图 1. 单晶XRD测定的qHPC60和qTPC60的晶体结构
图 2. 单层qHPC60和少层qTPC60
图 3. qHPC60的拉曼光谱和能带结构
【应用】
由于各向异性电子-声子相互作用极大地影响电学性质，作者通过角分辨电导测量检查了单层qHPC60中的电子传输。如图4b的插图所示，沿每对电极进行电流-电压测量的结果显示了对测试角度的周期性依赖性，表明了样品的面内各向异性电导率。
同时，二维单晶具有很高的热稳定性和良好的环境稳定性——也就是说，它们可以作为分散体在室温下在空气中储存在溶剂中至少一个月，而不会出现聚集迹象。它们还表现出各种显着的特性，例如各向异性导电性，这意味着通过材料的电子传输效率取决于电流流动的方向。与半金属石墨烯和电绝缘巴基球分子不同，本文制备的材料是一种半导体，这使其潜在地适用于二维电子和光电器件，例如晶体管和发光二极管。
图 4. qHPC60的各向异性特性
【总结】
作者成功地制造了具有周期性排列的基于簇的拓扑结构的稳定的结晶单层聚合物C60。单层qHPC60的不对称晶格结构导致了明显的面内各向异性特性，例如双重对称的各向异性电导率。单层聚合物C60的中等带隙大约1.6eV，弥合了半金属石墨烯和大带隙富勒烯之间的能隙，使聚合物C60成为用于二维光电器件的潜在候选者。这项工作是第一个合成单层聚合富勒烯的工作，它具有重要意义，因为它为碳材料家族增加了一个新成员，作者认为对单层聚合物C60的演示有望为探索具有独特拓扑和特性的二维碳带来新的视角。