碳家族添新?。何覈茖W(xué)家預(yù)言的T-碳問世

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)成自然界中最堅硬的物質(zhì)金剛石。最近我國科學(xué)家又在碳原子研究上獲得突破：由中科院大學(xué)物理學(xué)院蘇剛教授等人通過理論計算預(yù)言的一種三維碳結(jié)構(gòu)T-碳（T-carbon）誕生，中外科學(xué)家聯(lián)合研究團(tuán)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-碳是一種蓬松的碳材料，內(nèi)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于7.7%。蘇剛認(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。

1980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。這不僅在化學(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，也催生了工業(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。

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(qiáng)的與自身及其他元素相結(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，碳可以與其他元素結(jié)合在一起，組成包括DNA、蛋白質(zhì)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(dǎo)博士生勝獻(xiàn)雷等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。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(diǎn)，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(jìn)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于推動T-碳的實驗合成工作。2017年年初，西安交通大學(xué)和新加坡南洋理工大學(xué)的聯(lián)合研究團(tuán)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。