国科大苏刚教授团队预言的T-碳成功被实验证实

T-carbon:从理论预言到实验证实

  • 物理学院 (物理学院)
  • 创建于 2017-11-24
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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(X. L. Sheng et al., PRL106, 155703(2011)),经过不懈的努力探索,六年后终于被西安交大和新加坡南洋理工大学联合研究团队在实验上成功合成(Jinying Zhang et al., Nat. Commu. 8, 683 (2017)),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(如图)。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。

  自上世纪80年代以来,科学家对获得碳的新结构产生了浓厚兴趣,并催生了两次诺贝尔奖。最著名的例子包括碳富勒烯(Kroto等人于1985年合成,1996获得诺贝尔化学奖)、碳纳米管(Iijima于1991年合成,2008年获得Kavli纳米科学奖)和石墨烯(Novoselov和Geim于2004年得到,2010年获得诺贝尔物理奖)。这些结构不仅在化学、物理、材料和信息科学等相关领域产生了科学上的巨大影响,同时也导致了工业和技术上的大量应用。基于这些结构,人们合成了许多新的衍生物,并制成了新的功能器件和相关产品,进一步推动了经济社会的快速发展。

T-碳结构图

  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,中国科学院大学物理学院的苏刚教授指导博士生胜献雷(该项工作的其他合作者包括闫清波博士、叶飞副教授和郑庆荣教授)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。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-carbon。他们的研究表明,T-carbon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,带隙在3eV左右(杂化泛函计算的带隙可达5eV),并可通过掺杂来调控带隙以适用于光催化。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。他们通过仔细计算发现T-carbon可能在负压环境下易于形成。进一步的研究也表明,T-carbon有可能在宇宙星际尘埃或太阳系外行星中被观测到。该项工作被业内专家评价为“T-carbon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”。该项工作先后被Science News以“Diamond cousin Proposed”为题做了报道,其它新闻媒体如American Scientist、NPG Asia Materials、Softpedia、NanoWerk、Fellow Geek、phys.org等也相继做了专题报道和介绍。

苏刚教授与博士生胜献雷(右三)等合影

  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?一般而言,实验科学家常常怀疑理论学家的工作能否在实验上实现;但理论学家总是对自己的研究充满信心,他们坚信逻辑的自洽并欣赏理论自身的优美。据介绍,苏刚教授在完成理论预言后,长期致力于推动T-carbon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%,他们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。西安交大和新加坡南洋理工大学联合团队的实验结果发表在2017年的Nature Communications上。

  

媒体报道:《科技日报》碳家族添新丁:我科学家预言的T-碳问世

媒体报道:《中国科学报》我学者预言的T-碳在实验室诞生

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责任编辑:陈俊佑