科学家计算并证明T-碳,开启了碳结构研究的新纪元 | 黑科技

2023-05-10 14:56:27

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。

碳原子既可以构成世界最软的物质石墨，也可以构成最坚硬的物质金刚石。最近，在碳原子的研究上，，随后，中外科学家团队共同合成了T-碳，使T-碳正式成为碳家族的新成员。

碳原子周围有四个电子，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，它的稳定结构就会被打破，然后具有很强的与自身及其他元素相结合的能力。

如，碳元素可以形成sp2杂化的石墨烯、形成sp3杂化的金刚石，还有sp-sp2杂化的石墨炔和sp-sp3杂化的金刚石炔。对此，苏刚解释道：“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，正是这一特性，碳才成为地球上组成生命的最基本元素之一。”

关于这一新物质的发现，苏刚表示，他们是基于大量的对比研究后提出这一猜想的：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。

随后，研究团队基于密度泛函的第一性原理对此进行深入的研究，计算结果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，于是他们将这种碳的新型同素异形体命名为T-carbon。

今年年初，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。

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，此外，其密度非常小，约为石墨的2/3、金刚石的一半。

其中，苏刚指出，通过计算，T-碳可能在负压环境下更易形成，且它极有可能存在于宇宙星际尘埃或太阳系外行星中。

对于这一发现，业内专家给出了极高的评价：“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。”

关于这一技术的应用，苏刚表示：“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%。此外，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。”

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