与共和国同龄 | 李玉良院士：开创合成新型碳同素异形体先例

李玉良是中国科学院院士、中国科学院化学研究所研究员，1949年10月1日出生在山东青岛，与新中国同年同月同日生。他与研究团队在国际上首次通过合成化学方法发现石墨炔碳纳米材料，在这个领域，他与研究团队一直处在世界科研前沿。

李玉良（左二）指导学生开展科研  图片来源：中国科学报

以做中国原创的碳材料为追求

作为地球上最常见的化学元素之一，碳原子的最外层有4个电子，因此每个碳原子可以与其他非金属原子形成4对共用电子对。这样的组合让碳原子具有独特的空间结构，能够形成多种复杂的分子结构，包括一维的线、棒和管状结构，二维的平面和层状结构，三维的球状结构等。

结构的多样性往往引起物理和化学性质的不同，碳材料的新奇特性常常给科学家带来惊喜。1985年，英美科学家在探索宇宙空间星际尘埃的组分时，首次意外发现富勒烯。它成为除了石墨和金刚石之外，人们已知的第三种碳同素异形体。

全球科技界为之轰动。在物质科学“结构决定性质”的普遍认识下，科学家相信，新结构碳材料具有的全新物理和化学性质，一旦广泛应用将为人类社会带来重大变革。

在中国科学院院士朱道本的带领下，中国科学院化学研究所科研团队在富勒烯的基础和应用方面开展了深入研究，李玉良深度参与了“碳基分离材料”方面的合成研究。1998年前后，李玉良萌生出一个大胆的想法：“不论碳纳米管还是富勒烯，都是外国学者开创的。我们有没有可能做出一种中国人自己的碳材料，抢占新结构碳材料研究的先机？”

从那时起，他与研究团队就以做具有中国“标签”的碳材料为追求。“都说做基础研究是‘坐冷板凳’，是辛苦的，但这是做科研必须面对的。”李玉良在一次接受采访时表示，“相比起辛苦，我更担心陷入一种苦恼，苦恼于短短几十年的科研生涯只能跟在人家后面做研究。”

不惧失败

刚开始产生制备全新碳材料的想法时，李玉良和团队有些迷茫，彼时通过合成化学方法获得新结构的全碳材料在国际上并无先例。因此，一开始他就把目标锁定在合成具有新结构的碳材料上。

从1998年开始，在没有任何经验可以借鉴的情况下，李玉良带着七八个人的小团队，边干边探索。很长一段时间里，他们做做停停，进展缓慢。不过，一次又一次的失败并没有击垮整个团队的信心。

他们没有急于出结果，而是不断在理论和实验中积累经验。研究团队坚信，只要心中有目标，就能想办法把这种新材料做出来。传统的化学合成方法行不通，这让李玉良意识到，可能需要突破传统和模式化的方法另辟蹊径。

于是，他们开辟了“共轭有机纳米结构可控生长与自组装”新方向，尝试在化学合成中把“有机”和“纳米”两个概念结合起来。用一个比喻来说，这项工作的目标是让有机分子中的碳原子“自己裸露”出来，有序地“生长”成二维全碳网络结构。

为碳家族增添新成员

2009年的春天，科研人员照常来到实验室上班。谁也没有想到，这一天成了碳材料历史上新的里程碑。位于中国科学院化学研究所3号楼的实验室里，几位学生守着一台高分辨率电镜，目不转睛盯着显示屏上不断变化的过程。一幅独特的图像展现出来，他们清楚地观察到碳原子整齐的排列和清晰的晶格。

“出来了！”碳原子以一种前所未有的排列方式，展示在他们面前，学生们兴奋地将这个好消息告诉了李玉良。这标志着中国科学家在国际上首次成功通过合成化学方法获得了新型碳同素异形体，石墨炔这种自然界不存在的物质第一次真实地呈现在人类面前，为碳材料家族增添了新成员。

和此前碳材料的发现一样，石墨炔的发现同样掀起了科学界的研究热潮。但是，和此前碳材料研究都由国外科学家开创不同，石墨炔的发现与研究是国外科学家跟进中国科学家开展研究的实例。

随着对石墨炔基本认识的加深，李玉良团队成功实现了石墨炔的大面积、规模化制备，在十多年潜心研究的基础上提出了全新的“炔烯互变”“非整数电荷转移”“二维孔洞空间原子有序取代”“自扩充载流子通道”和“新模式化学能转换”等概念，拓宽了化学、材料、物理学等领域研究的发展空间。

这些原创性成果引领国际上众多科学家积极参与该领域研究，推动了碳材料科学的发展，并为碳材料研究带来了难得的机遇。

26年前，曾经不甘跟在人家后面做研究的学术志向、宁愿“坐冷板凳”也要瞄准“制高点”的科研精神，让李玉良团队创制了石墨炔这一全新材料。而今，在碳材料的探索之路上，这种志向和精神依然激励着研究团队，向着新的“制高点”不断前行。