中散源用户实验成果在《Nature》发表

2023年1月12日，中国散裂中子源（CSNS）用户中国科学技术大学化学与材料科学学院材料科学与工程系、合肥微尺度物质科学国家研究中心朱彦武教授团队在《自然》杂志上发表了标题“Long-Range Ordered Porous Carbons Produced from C60”的研究论文，报告了一个大气压下（常压）通过化学电荷注入技术，将富勒烯C60分子晶体转变为聚合物晶体和长程有序多孔碳（LOPC）晶体（目的）的重要进展，CSNS多物理谱仪（MPI）团队陈怀灿、殷雯是论文的合著者。

朱彦武教授团队与CSNS多物理谱仪合作，利用中子对分布函数(PDF)对CSNS多物理谱仪中的一系列样品进行了表征和研究，准确揭示了富勒烯C60分子晶体、LOPC晶体和聚合物晶体的精细结构，为面心立方堆积的C60分子晶体转变为聚合物晶体以及LOPC晶体过程中的结构演化提供了真实有力的关键证据之一，

图1 CSNS多物理谱仪获得的富勒烯C60分子晶体、LOPC晶体和聚合物晶体的中子PDF数据。

-转载自《nature》

朱彦武教授说：“长程有序多孔碳晶体微观上具有多孔特征但完整保留了晶体的宏观周期性，是新的人工碳晶体，未来可能在能量存储、离子筛选、负载催化等领域具有应用价值。电荷注入技术为构建这类碳基晶体材料，提供一种‘乐高’式的制备技术，有望成为原子级进度上调控晶体结构的新手段“。

对于传统富勒烯聚合物制备，通过高温高压下处理，高速研磨，碱金属掺杂C60（s）以及电子束或紫外线照射得到，其熔点及硬度较高，但由于条件限制，使得制成数量稀少。相对于新型制备方法，所得长程有序多孔碳晶体具有相同面心立体堆积结构，且保持长程周期性，并已通过 X 射线衍射、拉曼光谱、魔角旋转固态核磁共振光谱、像差校正透射电子显微镜和中子散射进行表征。LOPC 是在从富勒烯型碳向石墨烯型碳转变过程中产生的亚稳态结构。插图如下：

-转载自《nature》

此项研究的意义：揭示了富勒烯C60分子晶体、LOPC晶体和聚合物晶体的精细结构，LOPC 的制备使得能够发现从 C60(s) 开始的其他结晶碳。中子直接与原子核发生相互作用的总散射信息可以为该材料的结构表征提供最真实有效的实验数据。本研究中，多物理谱仪的高真实空间分辨率为新型碳材料的结构确证提供了可靠而重要的支持。

多物理谱仪是中国散裂中子源、东莞理工学院和香港城市大学合作建设的首台合作谱仪也是国内唯一的中子全散射谱仪。自2021年投入运营以来，已成功完成100多个用户项目。多物理谱仪是中国散裂中子源、东莞理工学院和香港城市大学合作建设的研究项目。许多用户实验结果已发表在《自然》、《自然可持续性》、《自然通讯》和《先进材料》等期刊上。

衍生：

近年来，富勒烯、纳米碳管、石墨烯和石墨炔等新型碳材料发现发展都引起了广泛关注和研究热潮，朱彦武教授说：“如果我们可以在晶体结构中引入纳米单元，如富勒烯、石墨烯等作为基本结构单元代替普通晶体原子，就像搭积木一样搭建新型晶体材料，可能会发觉更多新奇性质。“

对于此前传统新型碳材料制备方法均是HTHP方法（高温高压），要么紫外线，要么电子束，且其产量不高，阻碍了对该材料性质与应用的研究进展。

此外，朱彦武团队通过基于机器学习和神经网络势函数1结构搜索结果进一步表明，LOPC晶体代表了一大类从富勒烯分子晶体到石墨烯晶体转变过程的亚稳定状态。