碳家族添新丁：我国科学家预言的T-碳问世

碳原子是神奇的。它们不仅能形成世界上最软的矿物石墨，还能形成自然界中最坚硬的物质钻石。最近，中国科学家在碳原子研究方面又取得了突破:中国科学院物理研究所的苏刚教授等人通过理论计算预言的三维碳结构——T碳诞生了。一个由中外科学家组成的联合研究小组成功合成了碳纳米管，从而使碳纳米管成为另一种可与石墨和金刚石相媲美的三维新碳结构。

11月23日，苏刚在接受《科技日报》记者采访时表示，碳是一种蓬松的碳材料，内部有很大的可用空间。如果用作储能材料，其储氢容量不得低于7.7%(重量)。苏刚认为，碳纳米管在光催化、吸附、储能、航空航天材料等领域具有广阔的应用前景。

自20世纪80年代以来，科学家们对获得碳的新结构表现出极大的兴趣，并获得了两项诺贝尔奖。这不仅对化学、物理、材料、信息科学等相关领域产生了巨大影响，而且催生了大量的工业和技术应用。基于这些结构，科学家们合成了许多新的衍生物，制造了新的功能器件和相关产品。

碳原子有四个价电子，经过轨道杂化(一些能量更接近的原始原子轨道重新组合成新的原子轨道)，它就像四只手一样，具有很强的与自身和其他元素结合的能力。碳可以形成sp2杂化石墨烯、sp3杂化金刚石、sp-sp2杂化石墨烯和sp-sp3杂化金刚石乙炔。从化学上来说，碳可以与其他元素结合，形成脱氧核糖核酸、蛋白质和其他重要的生物大分子，从而使碳成为地球上最基本的生命元素之一苏刚说道。

2011年，苏刚指导博士生盛先雷等人提出了一种新的三维立方碳晶体结构，即立方金刚石中的每个碳原子都被一个由四个碳原子组成的四面体结构单元所取代。基于密度泛函理论的第一性原理研究，他们发现这种结构在几何、能量和动力学方面都非常稳定。他们把这种新的碳同素异形体命名为碳T-碳。研究表明，碳纳米管与金刚石具有相同的空间群，是一种具有直接带隙的半导体。可以通过掺杂来调整带隙，以适合光催化。碳也有一个独特的特征，它的密度很小，大约是石墨的2/3和钻石的一半。

苏刚等人通过计算发现，在负压环境下更容易形成碳纳米管。在星际尘埃或太阳系外的行星上可以观察到碳。

业内专家高度赞扬了碳纳米管的发现，称“碳纳米管开启了碳结构研究的新时代，并将激励其他科学家进行广泛的理论和实验研究”。

碳纳米管能在实验室合成吗？近年来，苏刚一直致力于促进T-碳的实验合成。2017年初，Xi交通大学和新加坡南洋理工大学的联合研究团队在极端偏离热力学平衡状态的条件下，用皮秒激光辐照悬浮在甲醇溶液中的多壁碳纳米管，成功实现了sp2向sp3化学键的转化。由此形成的新型碳材料完全符合碳纳米管的理论预测，证明碳纳米管是合成的。合成碳三的实验结果最近发表在《自然通讯》上。

(北京，11月23日，《科技日报》)

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