碳家族迎來新成員：預(yù)言的T—碳在實(shí)驗(yàn)室誕生

　　T—碳是中國科學(xué)院大學(xué)教授蘇剛團(tuán)隊(duì)6年前通過理論計(jì)算預(yù)言的一種新型三維碳結(jié)構(gòu)。日前，該碳結(jié)構(gòu)被西安交大和新加坡南洋理工大學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)上成功合成，證實(shí)了蘇剛團(tuán)隊(duì)的理論預(yù)言，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)，從而為碳家族增加了新成員。

　　2011年，蘇剛指導(dǎo)博士生勝獻(xiàn)雷，與閆清波博士、葉飛副教授和鄭慶榮教授等合作，通過大量對比研究后提出，如果將立方金剛石中的每個(gè)碳原子用一個(gè)由4個(gè)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，并把這種碳的新型同素異形體命名為T—碳。

　　蘇剛等人的研究表明，T—碳具有與金剛石相同的空間群，是一個(gè)具有直接帶隙的半導(dǎo)體。T—碳還有一個(gè)鮮明特點(diǎn)，其密度非常小，約為石墨的2/3，金剛石的一半。T—碳也具有很高的硬度。由于T—碳是一個(gè)蓬松的碳材料，其內(nèi)部有很大空間可供利用，如果用于儲能材料，其儲氫能力不低于7.7wt%。由于上述獨(dú)特的性能，T—碳將會在光催化、吸附、儲能、航空航天材料等領(lǐng)域擁有廣泛的潛在應(yīng)用。業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為這項(xiàng)工作開啟了碳結(jié)構(gòu)研究的新紀(jì)元。

　　蘇剛等人通過仔細(xì)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)T—碳可能在負(fù)壓環(huán)境下易于形成。進(jìn)一步的研究也表明，T—碳有可能在宇宙星際塵埃或太陽系外行星中被觀測到。

　　蘇剛告訴《中國科學(xué)報(bào)》記者，在完成理論預(yù)言后，自己長期致力于推動T—碳的實(shí)驗(yàn)合成工作。“愛迪生說過，99%的實(shí)驗(yàn)都會失敗，但堅(jiān)持就一定會有收獲。令人欣慰的是，2017年西安交大和新加坡南洋理工大學(xué)聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)終于成為了那幸運(yùn)的1%。”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，他們成功實(shí)現(xiàn)了從sp2到sp3化學(xué)鍵的轉(zhuǎn)變，詳細(xì)的結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)：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。

　　此外，T—碳的實(shí)驗(yàn)合成不僅在應(yīng)用上具有誘人的前景，同時(shí)也具有重要的科學(xué)意義。近年來，理論家們提出了很多種碳結(jié)構(gòu)模型，只有T—碳目前被實(shí)驗(yàn)成功合成，這絕非僅是巧合。“很長時(shí)間以來，天文學(xué)家就觀測到宇宙塵埃中碳的含量只有太陽系物質(zhì)中的60%，并長期致力于研究碳危機(jī)之謎。而T—碳的密度恰好為石墨的2/3。這似乎提供了一個(gè)啟示，如果星際塵埃中的碳大部分是以T—碳的形式存在的話，這是否就是碳危機(jī)這樣一個(gè)重要科學(xué)問題的最終答案呢?”蘇剛告訴《中國科學(xué)報(bào)》記者。

　　西安交大和新加坡南洋理工大學(xué)聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)對T—碳的光吸收實(shí)驗(yàn)也顯示，其主要光吸收峰的位置與星際塵埃中消光曲線鼓峰對應(yīng)的位置很接近。對這個(gè)問題的最終答案，還需要天文學(xué)家通過天文觀測來進(jìn)一步證實(shí)。蘇剛認(rèn)為，在這方面，我國新建的世界上鏡面直徑最大的射電天文望遠(yuǎn)鏡FAST也許可以發(fā)揮重要作用。