碳家族迎來(lái)新成員：預言的T—碳在實(shí)驗室誕生

　　T—碳是中國科學(xué)院大學(xué)教授蘇剛團隊6年前通過(guò)理論計算預言的一種新型三維碳結構。日前，該碳結構被西安交大和新加坡南洋理工大學(xué)聯(lián)合團隊在實(shí)驗上成功合成，證實(shí)了蘇剛團隊的理論預言，使T—碳成為可與石墨和金剛石比肩的碳的另一種三維新結構，從而為碳家族增加了新成員。

　　2011年，蘇剛指導博士生勝獻雷，與閆清波博士、葉飛副教授和鄭慶榮教授等合作，通過(guò)大量對比研究后提出，如果將立方金剛石中的每個(gè)碳原子用一個(gè)由4個(gè)碳原子組成的正四面體結構單元取代，將會(huì )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(fā)現這種結構在幾何、能量以及動(dòng)力學(xué)方面都是極其穩定的，并把這種碳的新型同素異形體命名為T(mén)—碳。

　　蘇剛等人的研究表明，T—碳具有與金剛石相同的空間群，是一個(gè)具有直接帶隙的半導體。T—碳還有一個(gè)鮮明特點(diǎn)，其密度非常小，約為石墨的2/3，金剛石的一半。T—碳也具有很高的硬度。由于T—碳是一個(gè)蓬松的碳材料，其內部有很大空間可供利用，如果用于儲能材料，其儲氫能力不低于7.7wt%。由于上述獨特的性能，T—碳將會(huì )在光催化、吸附、儲能、航空航天材料等領(lǐng)域擁有廣泛的潛在應用。業(yè)內專(zhuān)家認為這項工作開(kāi)啟了碳結構研究的新紀元。

　　蘇剛等人通過(guò)仔細計算，發(fā)現T—碳可能在負壓環(huán)境下易于形成。進(jìn)一步的研究也表明，T—碳有可能在宇宙星際塵?；蛱?yáng)系外行星中被觀(guān)測到。

　　蘇剛告訴《中國科學(xué)報》記者，在完成理論預言后，自己長(cháng)期致力于推動(dòng)T—碳的實(shí)驗合成工作。“愛(ài)迪生說(shuō)過(guò)，99%的實(shí)驗都會(huì )失敗，但堅持就一定會(huì )有收獲。令人欣慰的是，2017年西安交大和新加坡南洋理工大學(xué)聯(lián)合研究團隊終于成為了那幸運的1%。”通過(guò)皮秒激光照射懸浮在甲醇溶液中的多壁碳納米管，在極端偏離熱力學(xué)平衡態(tài)的條件下，他們成功實(shí)現了從sp2到sp3化學(xué)鍵的轉變，詳細的結構研究發(fā)現：形成的新型碳材料與理論預測的T—碳完全一致，證明合成了T—碳。

　　此外，T—碳的實(shí)驗合成不僅在應用上具有誘人的前景，同時(shí)也具有重要的科學(xué)意義。近年來(lái)，理論家們提出了很多種碳結構模型，只有T—碳目前被實(shí)驗成功合成，這絕非僅是巧合。“很長(cháng)時(shí)間以來(lái)，天文學(xué)家就觀(guān)測到宇宙塵埃中碳的含量只有太陽(yáng)系物質(zhì)中的60%，并長(cháng)期致力于研究碳危機之謎。而T—碳的密度恰好為石墨的2/3。這似乎提供了一個(gè)啟示，如果星際塵埃中的碳大部分是以T—碳的形式存在的話(huà)，這是否就是碳危機這樣一個(gè)重要科學(xué)問(wèn)題的最終答案呢?”蘇剛告訴《中國科學(xué)報》記者。

　　西安交大和新加坡南洋理工大學(xué)聯(lián)合研究團隊對T—碳的光吸收實(shí)驗也顯示，其主要光吸收峰的位置與星際塵埃中消光曲線(xiàn)鼓峰對應的位置很接近。對這個(gè)問(wèn)題的最終答案，還需要天文學(xué)家通過(guò)天文觀(guān)測來(lái)進(jìn)一步證實(shí)。蘇剛認為，在這方面，我國新建的世界上鏡面直徑最大的射電天文望遠鏡FAST也許可以發(fā)揮重要作用。