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與石墨/金剛石抗衡的材料欲誕生,T-碳到底有多牛

發表時間:2019-08-08 11:20

碳原子是神奇的,既可構成世界最軟的礦物質石墨,也能構成自然界中最堅硬的物質金剛石。最近我國科學家又在碳原子研究上獲得突破:由中科院大學物理學院蘇剛教授等人通過理論計算預言的一種三維碳結構T-碳(T-carbon)誕生,中外科學家聯合研究團隊成功合成了T-碳,從而使T-碳成為可與石墨和金剛石比肩的碳的另一種三維新結構。


11月23日,蘇剛在接受科技日報記者采訪時表示,T-碳是一種蓬鬆的碳材料,內部有很大的可利用空間,如果用作儲能材料,其儲氫能力重量百分比不低於7.7%。蘇剛認為,T-碳將會在光催化、吸附、儲能、航空航天材料等領域擁有廣泛的應用前景。


1980年代以來,科學家對獲得碳的新結構興趣濃厚,並催生了兩次諾貝爾獎。這不僅在化學、物理、材料和信息科學等相關領域產生巨大影響,也催生了工業和技術上的大量應用。基於這些結構,科學家又合成了許多新的衍生物,並製成了新的功能器件和相關產品。


碳原子有四個價電子,發生軌道雜化(原有一些能量較近的原子軌道重新組合成新的原子軌道)後它就像四隻手,具有很強的與自身及其他元素相結合的能力。碳可以形成sp2雜化的石墨烯,形成sp3雜化的金剛石,還有sp-sp2雜化的石墨炔,sp-sp3雜化的金剛石炔。“化學上,碳可以與其他元素結合在一起,組成包括DNA、蛋白質和其他重要的生物大分子,從而使碳成為地球上組成生命的最基本的元素之一。”蘇剛說。


2011年,蘇剛指導博士生勝獻雷等通過大量對比研究後提出,如果將立方金剛石中的每個碳原子用一個由四個碳原子組成的正四麵體結構單元取代,將會形成碳的一種新型三維立方晶體結構。他們基於密度泛函的第一性原理研究,發現這種結構在幾何、能量以及動力學方麵都是極其穩定的。他們把這種碳的新型同素異形體命名為T-carbon。研究表明,T-碳具有與金剛石相同的空間群,是一個具有直接帶隙的半導體,可通過摻雜來調控帶隙以適用於光催化。T-碳還有一個鮮明特點,密度非常小,約為石墨的2/3,金剛石的一半。


蘇剛等人通過計算發現T-碳可能在負壓環境下更易形成。T-碳有可能在宇宙星際塵埃或太陽係外行星中被觀測到。


對於發現T-碳的工作,業內專家給予高度評價,認為“T-碳開啟了碳結構研究的新紀元,將激發其他科學家進行廣泛的理論和實驗研究”。


T-碳能否在實驗室合成?蘇剛近年來一直致力於推動T-碳的實驗合成工作。2017年年初,西安交通大學和新加坡南洋理工大學的聯合研究團隊,通過皮秒激光照射懸浮在甲醇溶液中的多壁碳納米管,在極端偏離熱力學平衡態的條件下,成功地實現了從sp2到sp3化學鍵的轉變,其形成的新型碳材料與理論預測的T-碳完全一致,證明合成了T-碳。有關合成T-碳的實驗結果前不久在《自然·通訊》上公布。

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