扫一扫 加微信
首页 > 科研探索 > 科学研究 > 消息正文
首页 > 科研探索 > 科学研究 > 消息正文
碳家族添新丁:我科学家预言的T-碳问世
发布:lee_9124   时间:2017/11/25 11:12:24   阅读:2162 
分享到新浪微博 分享到腾讯微博 分享到人人网 分享到 Google Reader 分享到百度搜藏分享到Twitter
碳原子是神奇的,既可构成世界最软的矿物质石墨,也能构成自然界中最坚硬的物质金刚石。据科技日报今天(24日)报道,最近我国科学家又在碳原子研究上获得突破:由中科院大学物理学院苏刚教授等人通过理论计算预言的一种三维碳结构T-碳(T-carbon)诞生,中外科学家联合研究团队成功合成了T-碳,从而使T-碳成为可与石墨和金刚石比肩的碳的另一种三维新结构。

11月23日,苏刚在接受科技日报记者采访时表示,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%。苏刚认为,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。

1980年代以来,科学家对获得碳的新结构兴趣浓厚,并催生了两次诺贝尔奖。这不仅在化学、物理、材料和信息科学等相关领域产生巨大影响,也催生了工业和技术上的大量应用。基于这些结构,科学家又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。

碳原子有四个价电子,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)后它就像四只手,具有很强的与自身及其他元素相结合的能力。碳可以形成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,sp-sp3杂化的金刚石炔。“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,从而使碳成为地球上组成生命的最基本的元素之一。”苏刚说。



MWCNTs(多壁碳纳米管)到T-碳纳米线的结构转变 图片来自《自然·通讯》杂志

(a) 切短MWCNTs的HRTEM图(插图分别为原始MWCNTs的结构和FFT花样),标尺为20nm;

(b)激光照射产生的碳纳米线的HRTEM图(插图为低倍显微图),标尺为5nm;

(c-d)分别为图(b)中纳米线(标尺5nm)和(c)另一条纳米线(标尺2nm)所对应的FFT花样;

(e)去除碳膜背景后,图(b)所对应的EELS能谱。



单根T-碳纳米线的不同角度的FFT花样和结构模型 图片来自《自然·通讯》杂志

(a-c)分别为(a)晶带轴[2,1,1]、(b)晶带轴在[3,1,0]和[5,1,0]之间且与a的夹角为27°,

(c)晶带轴靠近[5,1,1]且与a的夹角为18°、与b的夹角10°的FFT花样,标尺5nm

(d)T-碳的结构模型(Fd3m,晶格常数=7.80?)

2011年,苏刚指导博士生胜献雷等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。他们把这种碳的新型同素异形体命名为T-carbon。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。T-碳还有一个鲜明特点,密度非常小,约为石墨的2/3,金刚石的一半。

苏刚等人通过计算发现T-碳可能在负压环境下更易形成。T-碳有可能在宇宙星际尘埃或太阳系外行星中被观测到。

对于发现T-碳的工作,业内专家给予高度评价,认为“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”。

T-碳能否在实验室合成?苏刚近年来一直致力于推动T-碳的实验合成工作。2017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。有关合成T-碳的实验结果前不久在《自然·通讯》上公布。


来源:科技日报
 
相关信息
   标题 相关频次
  哥廷根大学:石墨烯可提高超分辨率显微镜性能
 1
  双层-双层转角石墨烯中的关联绝缘态研究获进展
 1
  碳纳米管制成的微处理器面世
 1
  新研发的碳纳米管是制造下一代超音速飞机隔热板的关键材料
 1
 #国内材料周报#自旋量子通道转换“入住”石墨烯分子条带
 1
 《Science》重磅!历经60年日本科学家首次合成碳纳米带!
 1
 《先进材料》内封面:苏州纳米所在三维碳材料神经支架研究中取得进展
 1
 2016中国国际碳材料大会 即将召开!
 1
 MIT发明的材料是目前已知的强度最大、最轻的材料之一
 1
 Nature子刊: 西安交大科研人员首次合成碳的新型同素异形体
 1
 电子科技大学&俄克拉荷马大学:一步制备碳化海绵作为可扩展、环保和超快的水净化太阳能蒸发器
 1
 多孔生物质炭材料,打造更高性能的超级电容器
 1
 仿生超弹性碳材料“碳弹簧”问世
 1
 高导热碳材料研究进展
 1
 海大与华高墨烯共建“新型碳材料联合实验室”
 1
 军民两用先进碳材料大会召开,石墨烯再成焦点
 1
 开孔富勒烯的简洁合成及其释氧性能
 1
 科学家成功捕获“消失”的富勒烯
 1
 科学家发明用于评估碳纳米材料毒性的生物发光酶测试系统
 1
 科学家研发世界最贵材料:“内嵌富勒烯”
 1
 锂硫一次电池关键材料研究取得新进展
 1
 轻质超薄碳纳米超电容在天津大学问世 有望成为可穿戴设备的理想电源
 1
 全碳异质结“光学神经元器件”
 1
 全碳运算元件有望取代硅晶体管:大大提升运算速度
 1
 日本开发出无需特殊工序的纳米碳材料新合成法
 1
 熔盐法制备石墨化碳纳米片
 1
 神奇的碳材料纳米刷:刷新电池和超级电容器新高度
 1
 碳材料+热塑性弹性体=高性能传感器
 1
 碳材料家族又添两位新成员!有望成为新型半导体材料
 1
 微观拱形使脆弱碳材料具备弹簧似的韧性
 1
 我国科研团队研发碳纳米纤维管
 1
 新疆理化开发出新型碳纤维和功能型氮掺杂多孔碳材料
 1
 学术干货|锂电池干货系列之锂氧电池关键技术
 1
 一维微米级超长碳链——so long!so hard!
 1
 中国科大制备出新型超弹性耐疲劳碳基仿生材料
 1
 中国科学家首次成功合成石墨炔
 1
 中科院宁波材料所陈涛研究员团队在柔性可穿戴电子皮肤方面取得系列进展
 1
 中美研究人员研制新材料:硬度像钻石弹性超橡胶
 1
 中外学者探讨离子通道对碳材料储能影响
 1
 综述:离子通道对碳材料储能性能的影响
 1