【南林新闻中心讯】近日，化学工程学院荆宇教授以第一作者身份与德国德累斯顿工业大学Thomas Heine教授在材料领域国际顶级学术期刊Nature Materials（译名《自然材料》，影响因子38.887）上发表题为“Making 2D Topological Polymers a Reality”的评述文章。文章重点讨论了二维材料晶格结构与电子学特性之间的联系，同时指出电子结构的合理设计，即所谓的能带结构工程，对于二维聚合物也是可行的。

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石墨烯的发现引发了二维材料的研究热潮。由于载流子迁移和热量扩散都被限制在二维平面内，二维材料展现出许多奇特的性质，并在场效应管、光电器件、热电器件等领域具有广泛的应用前景。二维材料的晶格结构和电子拓扑性质之间具有紧密的联系。例如，石墨烯的蜂窝状晶格使其电子能带结构中出现了著名的狄拉克锥（图a），其中无质量的电子停留在费米能级处。事实上，二维结构中存在着多种丰富的晶格类型，它们的几何形状早在古典时期就已经为人所知（有些被称为阿基米德晶格），并且被Kepler分类。然而自然界中只有少数的几种Kepler格子被发现。尽管近年来二维MOF和COF材料的出现使多种Kepler格子的合成成为可能，但在大多数情况下，由于分子单体之间无法进行有效的电子交联作用，材料的电子结构仍局域在分子晶体中。因此晶格拓扑对电子结构的影响并不明显。

2019年，荆宇教授基于第一性原理计算设计了一系列以杂原子三角烯分子为单体构成的二维共轭聚合物结构包括P2TANG（Jing, Y. & Heine, T. J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 743-747）。该结构同时具有honeycomb晶格（图1a）和kagome晶格（图b）。尽管杂原子中心之间的距离在1nm以上，但其构成的honeycomb晶格仍然表现出了典型的狄拉克锥电子学特征（图c）。近日，在《自然材料》上的文章中（Galeotti, G. et al. Nat. Mater. https://doi.org/10.1038/s41563-020-0682-z），Gianluca Galeotti及其同事通过优化表面化学反应实现人造二维晶格，成功合成出了之前预测的二维聚合物结构P2TANG，并且发现其电子结构中具有独特的拓扑特征，印证了荆宇教授前期的材料设计结果（Jing, Y. & Heine, T. J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 743-747）。

图（a）二维honeycomb晶格，（b）Kagome晶格，（c）共轭聚合物P2TANG的honeycomb-kagome晶格及其相应的能带结构

荆宇，现为我校化学工程学院林产化工系教授、博士生导师，主要从事理论与计算化学方向的基础研究工作。目前主持国家自然科学基金和江苏省自然科学基金各1项。以第一作者（含共同第一作者）和通讯作者在国际一流学术期刊共发表SCI收录论文18篇。截止目前，所发表论文共被引用 1800 余次，单篇论文最高被引用 240 次，个人 h-index 为 17。

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41563-020-0690-z。