與石墨/金剛石抗衡的材料欲誕生，T-碳到底有多牛叉
與石墨/金剛石抗衡的材料欲誕生，T-碳到底有多牛叉
碳原子是神奇的，既可構(gòu)成世界最軟的礦物質(zhì)石墨，也能構(gòu)成自然界中天然存在的最堅硬的物質(zhì)金剛石。最近我國科學(xué)家又在碳原子的研究上制造了“神奇”：由中科院大學(xué)物理學(xué)院蘇剛教授等人通過理論計算而預(yù)言的一種三維碳結(jié)構(gòu)T-碳（T-carbon）終于“誕生”，中外科學(xué)家聯(lián)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(jié)構(gòu)。
11月23日，蘇剛在接受科技日報記者采訪時表示，T-碳具有很高的硬度。它是一種蓬松的碳材料，內(nèi)部有很大的可利用空間，如果用于儲能材料，其儲氫能力重量百分比不低于7.7%。我們認(rèn)為，T-碳將會在光催化、吸附、儲能、航空航天材料等領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用前景。
上世紀(jì)80年代以來，科學(xué)家對獲得碳的新結(jié)構(gòu)興趣濃厚，并催生了兩次諾貝爾獎。最著名的例子包括碳富勒烯研究（1985年合成，1996獲得諾貝爾化學(xué)獎）、石墨烯研究（2004年制備得到，2010年獲得諾貝爾物理獎）。這些結(jié)構(gòu)不僅在化學(xué)、物理、材料和信息科學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)生巨大影響，同時也導(dǎo)致了工業(yè)和技術(shù)上的大量應(yīng)用。基于這些結(jié)構(gòu)，科學(xué)家又合成了許多新的衍生物，并制成了新的功能器件和相關(guān)產(chǎn)品，推動了經(jīng)濟社會的快速發(fā)展。
碳原子有四個價電子，發(fā)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）后它就像四只手，具有很強的與自身及其它元素相結(jié)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(xué)上，碳可以與其它元素結(jié)合在一起，組成包括DNA、蛋白質(zhì)和其它重要的生物大分子，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(dǎo)博士生勝獻雷（合作者包括閆清波博士、葉飛副教授和鄭慶榮教授）通過大量對比研究后提出，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面體結(jié)構(gòu)單元取代，將會形成碳的一種新型三維立方晶體結(jié)構(gòu)。
他們基于密度泛函的第一性原理研究，發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)在幾何、能量以及動力學(xué)方面都是極其穩(wěn)定的。他們把這種碳的新型同素異形體命名為T-carbon（T-碳）。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(dǎo)體，可通過摻雜來調(diào)控帶隙以適用于光催化。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(fā)現(xiàn)T-碳可能在負(fù)壓環(huán)境下更易于形成。T-碳有可能在宇宙星際塵埃或太陽系外行星中被觀測到。
對于發(fā)現(xiàn)T-碳的工作，業(yè)內(nèi)專家給予高度評價，認(rèn)為“T-碳開啟了碳結(jié)構(gòu)研究的新紀(jì)元，將激發(fā)其他科學(xué)家進行廣泛的理論和實驗研究”。
T-碳有如此奇妙獨特的性質(zhì)，它能否在實驗室合成？蘇剛在完成理論預(yù)言后，幾年來一直致力于推動T-碳的實驗合成工作。今年年初，西安交大和新加坡南洋理工大學(xué)聯(lián)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(xué)平衡態(tài)的條件下，成功地實現(xiàn)了從sp2到sp3化學(xué)鍵的轉(zhuǎn)變，其形成的新型碳材料與理論預(yù)測的T-碳完全一致，證明合成了T-碳。有關(guān)合成T-碳的實驗結(jié)果前不久在《自然·通訊》上公布。
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