物理學家對無定型碳給出新的解釋

2020-12-05 科技報告與資訊

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許多具有不同化學和物理性質的物質,從鑽石到石墨,都是由碳原子構成的。固態碳的無定形形式沒有固定的晶體結構,而是由結構單元(納米級石墨烯顆粒)組成。來自俄羅斯人民友誼大學(RUDN)的物理學家團隊研究了無定形碳的結構,並建議將其劃分為一種獨立的無定形固體:具有強制碎裂的分子無定形。該研究結果發表在《Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures》雜誌上。

固體碳具有許多配位修飾。這意味著可以由一個相同的原子以不同的結構排列構建具有不同化學和物理性質的物質。碳配位的多樣性是由於其原子的特殊性質,即具有形成單價鍵、雙價鍵和三價鍵的獨特能力。如果由於一定的反應條件,只形成單鍵(即發生所謂的sp3雜化),固體碳的形狀就像一個三維網格的四面體,即鑽石。如果條件有利於雙鍵的形成(sp2-雜化),固體碳的形狀是石墨,一種由梳狀六邊形單元組成的平層結構。這種固體的單個層稱為石墨烯。這兩種類型的固態碳結構既可以觀察到有序晶體,也可以觀察到無序的非晶態體。固體碳在自然界中既以結晶巖(石墨或金剛石)礦床的形式廣泛分布,又以無定形體(褐煤和黑煤、閃石、蟻石等礦物)的形式存在。

與其結晶形式不同,天然無定形碳屬於sp2型。在RUDN大學物理學家團隊的倡議和參與下,對sp2型無定形碳的結構和元素組成進行了研究。在研究過程中,該團隊還利用光電子光譜、非彈性中子散射、紅外吸收和拉曼散射進行了光譜測量。根據研究結果,研究團隊認為sp2非晶碳是一種基於納米級石墨烯域的分形結構,其周圍是其他元素(氫、氧、氮、硫等)的原子。憑藉這一假說,該團隊幾乎改寫了人類無定形碳的歷史。

論文標題為《Amorphous state of sp2 solid carbon》。

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