科学家揭示富勒烯转石墨烯过程，在铂金属表面捕捉到富勒烯二聚体

近日，中国科学院兰州化学物理研究所研究员刘钊和合作者首次在 Pt（111）金属表面上系统揭示了 C₆₀ 热转化过程中由分子岛向富勒烯二聚体再到石墨烯量子点（GQDs）的演化规律。日前，相关论文发表于《德国应用化学》（Angewandte Chemie）（IF 16.9）。

图 | 刘钊（来源：刘钊）

通过非接触式原子力显微镜（nc-AFM）和扫描隧道显微镜（STM），研究团队观察到：C₆₀ 在 800K 时从分子岛中脱出，形成低迁移性的二聚体；在 900K 进一步加热后，二聚体打开形成 GQDs，最终长大成石墨烯片。这一过程中，C₆₀ 二聚体作为关键中间态被直接通过 multipass 技术成像并结构解析，打破了以往仅凭间接推测的局限。结合第一性原理计算，研究明确了二聚体形成的热力学优势和动力学机制，发现其在岛边缘具有更高的形成倾向。

此外，研究发现 C₆₀ 二聚体具有良好的热稳定性与界面束缚能力，并在光电材料与润滑领域具有很大应用潜力。该工作不仅提出了一种高效可控合成高质量石墨烯材料的新路径，也丰富了富勒烯热转化与碳基纳米材料润滑的理论体系。

在未来若干年内，该研究成果具有多项潜在应用。首先，研究中稳定获得的富勒烯二聚体可作为新型纳米润滑添加剂，因其兼具适度流动性与表面稳定性，适用于高精度机械或微机电系统的润滑需求。相比传统单体 C₆₀ 或纳米金刚石，二聚体在润滑性与分散性之间实现更优平衡。其次，其热诱导转化路径实现了尺寸和形貌可控的石墨烯量子点（GQDs）合成，GQDs 具备良好的导电性、光致发光性能和量子限域效应，可在太阳能电池、发光器件、生物成像及量子计算等领域发挥关键作用。此外，该研究提出的从 C₆₀ 出发的底层合成策略，适用于构建高纯度、结构可设计的碳基功能材料，为发展柔性电子器件、分子电子学和纳米催化体系提供了理论支持与技术基础。

（来源：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.20）

据介绍，本研究围绕富勒烯 C₆₀ 在金属表面热诱导行为展开，源于对其转化路径不明确、缺乏可控中间态结构的科学挑战。已有研究表明 C₆₀ 在强相互作用金属如 Ni（111）表面易脱附而非聚合，导致结构可控性差，制约其在纳米材料制备中的应用。因此，研究团队设定课题旨在明确 C₆₀ 从单体→二聚体→石墨烯量子点（GQDs）→石墨烯的演化规律，并力图直接捕捉到 C₆₀ 二聚体这一关键中间态。

在超高真空实验系统与样品制备上，本研究采用非接触原子力显微镜与扫描隧道显微镜在超高真空条件下进行实验，确保表面干净无污染。首先是 Pt（111）基底的制备，包括多轮氩离子溅射与高温退火，获得原子平整的台阶表面；随后通过热蒸发方式将 C₆₀ 分子均匀沉积于其表面，控制覆盖度在 0.13 单层左右，为后续观测提供合适的初始状态。

（1）针对不同温度下的热退火实验设计，研究团队系统性地设置了三个关键温度：

• 500K：观察到 C₆₀ 岛结构保持基本稳定，未形成新的结构单元；
• 800K：首次在 Pt（111）表面上清晰观测到分布式 C₆₀ 二聚体，既未碎裂成石墨烯也未聚合成网络，展现出低迁移、高稳定特征。
• 900K：观察到二聚体进一步开环，形成石墨烯量子点，并最终演化为高质量的石墨烯片层。

（2）在成像与结构确认上，在 800K 退火样品上，研究团队借助多通道 nc-AFM 成像技术，对单个粒子进行扫描，通过改变探针高度捕捉到二聚体内部结构细节。扫描图像显示其直径约 2nm，进一步靠近后可分辨出两个典型 C₆₀ 结构单元，确认为“哑铃状”二聚体。此外，STM 成像也进一步辅助确认其为真正的 C₆₀ 二聚体，而非其他碳团簇或单体残留。

（3）在第一性原理计算与机理分析上，研究团队利用密度泛函理论对 C₆₀ 在不同状态下的相对能量、稳定性与转化势垒进行计算。结果表明：[2+2] 环加成形成的 C₆₀ 二聚体在热力学上优于低配位 C₆₀ 边缘单体，并计算出二聚体形成总能垒仅约 1.08eV，在 800K 下可自然发生。这一理论支持实验中所观测现象，并推导出二聚体形成的两种可能机制：一是边缘 C₆₀ 与游离单体碰撞形成，二是两个边缘 C₆₀ 直接聚合后脱离岛体。

（4）在现象总结与潜在应用展望上，研究团队在论文中指出，本次成果成功捕捉并验证了 C₆₀ 二聚体作为石墨烯量子点前驱体的中间态角色，揭示了 C₆₀ 热转化的一条完整路径。同时提出这些二聚体和 GQDs 在光电器件与纳米润滑中的潜在应用价值，尤其在结构可控、界面能低等方面具有优势。

据了解，非接触式超高真空原子力显微镜（nc-AFM）作为当今最前沿的表面科学研究工具之一，其实验工作的开展往往伴随着冗长而细致的准备过程。这些准备工作不仅是基础，更是整个实验能否顺利进行的关键。本次工作正是建立在这样一系列高度精密且严苛的前期操作之上。

首先是探针的制备，这一步看似微不足道，实则至关重要。探针的固定方式、清洁程度以及共振频率的选择直接决定了后续扫描成像的分辨率与稳定性。品质因子（Q 值）过低的探针可能导致信号衰减或噪声增大，从而使成像效果大打折扣，甚至完全失效。

紧接着是实验基底 Pt（111）的制备。高质量的原子级平整金属基底是进行分子吸附与表面结构演化研究的前提。Pt（111）不仅需具备高度的原子平整性，还必须完全避免表面氧化或碳污染，这通常需要反复高温退火与 Ar⁺ 溅射处理，以及极其严格的真空环境控制。一丝疏忽都可能使得表面重构失败，失去研究价值。

再之后是 C₆₀ 分子的蒸镀。这一步看似“简单”的沉积过程，却对时间、温度、沉积速率等条件有极高要求。C₆₀ 若沉积过多，会导致分子堆积而丧失移动性；若过少，则无法形成目标结构如分子岛或二聚体，从而使研究目标落空。这一过程要求操研究团队具备对分子束蒸发设备的熟练掌握与对实时监测信号的高度敏感。

当以上所有条件达成，研究才真正进入“起跑线”——即 nc-AFM 的成像阶段。然而，即使进入这一步，仍需在室温下精细调控反馈参数、优化扫描路径、识别假信号与真实结构。

（来源：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.20）

刘钊的博士导师（亦是本次论文的通讯作者）曾笑谈：“你博士论文里那些精美的 nc-AFM 图像，可能都来自四年中短短几周的‘奇迹时刻’。”这话虽带玩笑，但却揭示了 nc-AFM 研究的真实面貌——即便成果的“产出期”极短，也绝非偶然所得。它是建立在数年实验技巧打磨、仪器调试、参数积累以及无数次失败经验之上的厚积薄发。没有长时间的重复试验、对每一个细节的极致要求与不断优化，那几周的“黄金期”也不过是空中楼阁。

总结而言，nc-AFM 研究的精髓不仅体现在高分辨率图像的获取，更在于对实验过程极端细节的掌控能力。它是一场关于精度、耐心与经验的马拉松，而非短跑。真正的科研突破，往往不是一蹴而就的“灵光一现”，而是日复一日的坚守与积累下所迸发的厚积之力。这正是表面科学的魅力所在，也映照出实验科学对“过程与细节”的极致追求。

总的来说，该研究为后续摩擦与润滑领域提供了新方向。热处理形成的 C₆₀ 二聚体在 Pt（111）表面表现出良好的稳定性和适度的可移动性，兼具纳米尺寸与化学惰性，适合作为润滑添加剂使用。而进一步转化形成的石墨烯量子点（GQDs）具有低界面能与优异的力学性能，有望用于探索量子摩擦现象。研究团队指出，未来研究可聚焦于调控二聚体与 GQDs 的界面行为、摩擦响应机制及其在高负载、复杂环境下的润滑性能等。

参考资料：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202505101

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