研究生院最新研究設計提出碳的一種新結構

　　最近，中科院研究生院蘇剛教授及其博士生勝獻雷等人基于密度泛函第一性原理研究，設計提出了元素碳的一種新結構，該結構被命名為T型碳（T-carbon）。相關研究結果近日發表在國際期刊《物理評論快報》上 [X. L. Sheng et al., Physical Review Letters 106, 155703 (2011)]。

　　眾所周知，碳是地球上組成生命的最基本的元素之一。碳可以形成sp3、sp2和sp雜化化學鍵，具有很強的結合能力，可以與其他元素結合成不計其數的無機和有機化合物，形成了化學和生物的多樣性，構成了現在豐富多彩的世界。在自然界，碳一般具有三種同素異形體：石墨、金剛石和無定形碳。經過長期大量的研究，人們已對上述材料的物理和化學性質有了深入的理解。

　　自上世紀80年代以來，科學家對合成碳的新型同素異形體產生了濃厚興趣。最著名的例子包括碳富勒烯（Kroto等人于1985年合成，1996獲得諾貝爾化學獎）、碳納米管（Iijima于1991年合成，2008年獲得Kavli納米科學獎）和石墨烯（Novoselov和Geim于2004年得到，2010年獲得諾貝爾物理獎）。這些結構不僅在化學、物理、材料和信息科學等相關領域產生了科學上的巨大影響，同時也導致了工業和技術上的大量應用。基于這些結構，人們合成了許多新的衍生物，并制成了新的功能器件和相關產品。另一方面，隨著化學合成技術的進步，人們也得到了一些比較復雜的碳的同素異形體，如一維的sp卡賓碳，二維的sp-sp2的石墨炔（graphyne），三維的sp-sp3-金剛石炔等。幾年前，科學家們利用石墨在高壓下合成了一種新的碳，其結構尚不清楚，國際上幾個研究組分別提出了單斜碳、體心四方碳和sp3-正交碳等來解釋該高壓相結構。鑒于近年來在元素碳的實驗和理論方面取得的研究進展，可以說目前已進入了探索碳的新型同素異形體的活躍期。

　　蘇剛教授及其博士生勝獻雷等人通過大量對比研究后提出，如果將立方金剛石結構中每個原子用一個碳的正四面體來替代，將會形成碳的一種新型三維立方晶體結構。他們基于密度泛函的第一性原理研究，發現這種結構在幾何、能量以及動力學上都是穩定的，并命名該同素異形體為T-carbon。他們的研究表明，T-carbon具有與金剛石相同的空間群，是一個具有直接帶隙的半導體，帶隙在3eV左右，并可通過摻雜來調控帶隙大小以適用于光催化；其價電子形成了各向異性的sp3雜化鍵。T-carbon的維氏硬度為61.1GPa，與立方氮化硼的硬度相當，比金剛石的硬度小1/3左右。T-carbon具有非常低的密度，僅為每立方厘米1.5克，約為石墨的2/3、金剛石的一半。與碳的其它同素異形體比較，T-carbon沿特定方向上的原子間距比較大，每原子體積是金剛石的兩倍多、石墨的1.5倍；其體彈性模量是金剛石的36%、石墨的57%。由于T-carbon原子間的空隙較大，非常有利于做儲能材料，研究表明其儲氫能力不低于7.7wt%。由于上述獨特的性能，T-carbon一旦實驗上被獲得，將會在光催化、吸附、儲氫、航空航天材料等領域有潛在的廣泛應用。進一步的研究顯示，T-carbon也有可能在宇宙星際塵埃或太陽系外行星中被觀察到。

　　該成果已被Science News、PhysOrg.com網站等科學新聞媒體作了報道和介紹。該工作得到了國家自然科學基金委和中國科學院的支持。