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碳家族添新丁:我科学家预言的T-碳问世

2017-11-24 09:01:37

碳原子是神奇的,既可构成世界最软的矿物质石墨,也能构成自然界中最坚硬的物质金刚石。据科技日报今天(24日)报道,最近我国科学家又在碳原子研究上获得突破:由中科院大学物理学院苏刚教授等人通过理论计算预言的一种三维碳结构T-碳(T-carbon)诞生,中外科学家联合研究团队成功合成了T-碳,从而使T-碳成为可与石墨和金刚石比肩的碳的另一种三维新结构。

11月23日,苏刚在接受科技日报记者采访时表示,T-碳是一种蓬松的碳材料,内部有很大的可利用空间,如果用作储能材料,其储氢能力重量百分比不低于7.7%。苏刚认为,T-碳将会在光催化、吸附、储能、航空航天材料等领域拥有广泛的应用前景

图片来自微信公众号“科技日报”

1980年代以来,科学家对获得碳的新结构兴趣浓厚,并催生了两次诺贝尔奖。这不仅在化学、物理、材料和信息科学等相关领域产生巨大影响,也催生了工业和技术上的大量应用。基于这些结构,科学家又合成了许多新的衍生物,并制成了新的功能器件和相关产品。

碳原子有四个价电子,发生轨道杂化(原有一些能量较近的原子轨道重新组合成新的原子轨道)后它就像四只手,具有很强的与自身及其他元素相结合的能力。碳可以形成sp2杂化的石墨烯,形成sp3杂化的金刚石,还有sp-sp2杂化的石墨炔,sp-sp3杂化的金刚石炔。“化学上,碳可以与其他元素结合在一起,组成包括DNA、蛋白质和其他重要的生物大分子,从而使碳成为地球上组成生命的最基本的元素之一。”苏刚说。

MWCNTs(多壁碳纳米管)到T-碳纳米线的结构转变  图片来自《自然·通讯》杂志

(a) 切短MWCNTs的HRTEM图(插图分别为原始MWCNTs的结构和FFT花样),标尺为20nm;

(b)激光照射产生的碳纳米线的HRTEM图(插图为低倍显微图),标尺为5nm;

(c-d)分别为图(b)中纳米线(标尺5nm)和(c)另一条纳米线(标尺2nm)所对应的FFT花样;

(e)去除碳膜背景后,图(b)所对应的EELS能谱。

单根T-碳纳米线的不同角度的FFT花样和结构模型  图片来自《自然·通讯》杂志

(a-c)分别为(a)晶带轴[2,1,1]、(b)晶带轴在[3,1,0]和[5,1,0]之间且与a的夹角为27°,

(c)晶带轴靠近[5,1,1]且与a的夹角为18°、与b的夹角10°的FFT花样,标尺5nm

(d)T-碳的结构模型(Fd3m,晶格常数=7.80Å)

2011年,苏刚指导博士生胜献雷等通过大量对比研究后提出,如果将立方金刚石中的每个碳原子用一个由四个碳原子组成的正四面体结构单元取代,将会形成碳的一种新型三维立方晶体结构。他们基于密度泛函的第一性原理研究,发现这种结构在几何、能量以及动力学方面都是极其稳定的。他们把这种碳的新型同素异形体命名为T-carbon。研究表明,T-碳具有与金刚石相同的空间群,是一个具有直接带隙的半导体,可通过掺杂来调控带隙以适用于光催化。T-碳还有一个鲜明特点,密度非常小,约为石墨的2/3,金刚石的一半。

苏刚等人通过计算发现T-碳可能在负压环境下更易形成。T-碳有可能在宇宙星际尘埃或太阳系外行星中被观测到。

对于发现T-碳的工作,业内专家给予高度评价,认为“T-碳开启了碳结构研究的新纪元,将激发其他科学家进行广泛的理论和实验研究”。

T-碳能否在实验室合成?苏刚近年来一直致力于推动T-碳的实验合成工作。2017年年初,西安交通大学和新加坡南洋理工大学的联合研究团队,通过皮秒激光照射悬浮在甲醇溶液中的多壁碳纳米管,在极端偏离热力学平衡态的条件下,成功地实现了从sp2到sp3化学键的转变,其形成的新型碳材料与理论预测的T-碳完全一致,证明合成了T-碳。有关合成T-碳的实验结果前不久在《自然·通讯》上公布。

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来源:科技日报 | 责任编辑:唐莎莎
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