碳家族迎来新成员:预言的T—碳在金沙城诞生

2017年11月27日 11:58:04 来源: 科学网
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  T—碳是中国科学院大学教授苏刚团队6年前通过理论计算预言的一种新型三维碳结构。日前,该碳结构被西安交大和新加坡南洋理工大学联合团队在实验上成功合成,证实了苏刚团队的理论预言,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,从而为碳家族增加了新成员。

   T—碳

  2011年,苏刚指导博士生胜献雷,与闫清波博士、叶飞副教授和郑庆荣教授等合作,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4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,并把这种碳的新型同素异形体命名为T—碳。

  苏刚等人的研究表明,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。T—碳还有一个鲜明特点,其密度非常小,约为石墨的2/3,金刚石的一半。T—碳也具有很高的硬度。由于T—碳是一个蓬松的碳材料,其内部有很大空间可供利用,如果用于储能材料,其储氢能力不低于7.7wt%。由于上述独特的性能,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潜在应用。业内专家认为这项工作开启了碳结构研究的新纪元。

  苏刚等人通过仔细计算,发现T—碳可能在负压环境下易于形成。进一步的研究也表明,T—碳有可能在宇宙星际尘埃或太阳系外行星中被观测到。

  苏刚告诉《中国科学报》记者,在完成理论预言后,自己长期致力于推动T—碳的实验合成工作。“爱迪生说过,99%的实验都会失败,但坚持就一定会有收获。令人欣慰的是,2017年西安交大和新加坡南洋理工大学联合研究团队终于成为了那幸运的1%。”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,他们成功实现了从sp2到sp3化学键的转变,详细的结构研究发现: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。

  此外,T—碳的实验合成不仅在应用上具有诱人的前景,同时也具有重要的科学意义。近年来,理论家们提出了很多种碳结构模型,只有T—碳目前被实验成功合成,这绝非仅是巧合。“很长时间以来,天文学家就观测到宇宙尘埃中碳的含量只有太阳系物质中的60%,并长期致力于研究碳危机之谜。而T—碳的密度恰好为石墨的2/3。这似乎提供了一个启示,如果星际尘埃中的碳大部分是以T—碳的形式存在的话,这是否就是碳危机这样一个重要科学问题的最终答案呢?”苏刚告诉《中国科学报》记者。

  西安交大和新加坡南洋理工大学联合研究团队对T—碳的光吸收实验也显示,其主要光吸收峰的位置与星际尘埃中消光曲线鼓峰对应的位置很接近。对这个问题的最终答案,还需要天文学家通过天文观测来进一步证实。苏刚认为,在这方面,我国新建的世界上镜面直径最大的射电天文望远镜FAST也许可以发挥重要作用。

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