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西安交大科研团队证实T-carbon的预言和实验合成

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      T-carbon(又名T-碳),是中国科学院大学苏刚教授研究团队于2011年通过理论计算预言的一种新型三维碳结构,经过不懈的努力探索,近期被西安交大牛春明课题组和新加坡南洋理工大学联合研究团队在实验上成功合成,证实了苏刚研究团队的理论预言,使T-carbon成为可与石墨和金刚石比肩的碳的另一种三维新结构,从而在碳家族中增加了新成员。

  T-carbon的预言和实验合成是碳科学研究的一项突破性重要科学进展。由于T-carbon具有非常独特的性质,将会在光催化、吸附、储能、航空航天材料、电子器件等领域具有诱人的重要应用前景。

  碳原子有四个价电子,发生轨道杂化后如同它有四只手,碳原子因此具有很强的与自身及其它元素相结合的能力。对于一维,碳可以形成sp杂化的卡宾链,如同利用了两只手,碳原子手拉手排成一个队;对于二维,碳可以形成sp2杂化的石墨烯,如同利用了三只手,碳原子手拉手形成了一个蜂窝状的平面结构;对于三维,碳可以形成sp3杂化的金刚石,就像同时伸出了四只手,这四只手成四面体结构,相互形成一个三维的致密结构,也使金刚石成为地球上硬度最大的物质。除此之外,碳还有sp-sp2杂化(有的碳原子伸出两只手,有的伸出三只手)的石墨炔,sp-sp3杂化(有的碳原子伸出两只手,有的伸出四只手)的金刚石炔等。化学上,碳可以与其它元素结合在一起,组成包括DNA、蛋白质和其它重要的生物大分子,从而使碳成为地球上组成生命的最基本的元素之一。

  2011年,中国科学院大学研究团队通过理论计算预言了一种新型三维碳结构,并把这种碳的新型同素异形体命名为T-carbon。T-carbon还有一个很鲜明的特点,其密度非常小,约为石墨的2/3,金刚石的一半。T-carbon也具有很高的硬度。由于T-carbon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-carbon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。

  T-carbon既然有如此奇妙独特的性质,一个自然而然的问题是:它能否在实验室合成?近期,西安交大牛春明课题组和新加坡南洋理工大学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,详细的结构研究发现形成的新型碳材料与理论预测的T-carbon完全一致,证明合成了T-carbon。实验结果发表在2017年的Nature Communications上。


2017-11-28
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