世界最強韌材料批量生產成真:強度超鑽石 40 倍

2020-12-01 IT之家

北京時間4月21日消息，據英國《每日郵報》報導，在問世50多年之後，終於有研究團隊找到了批量生產碳炔(carbyne)的方法。碳炔相當於碳的一維形式——由碳原子聚集在一起形成的鏈，被認為是世界上最強韌的材料，強度超過鑽石40倍。

▲石墨烯結構內部示意圖。研究人員採用雙層壁碳納米管來生成穩定的碳鏈，其長度也創下新的記錄。

▲在託馬斯·皮希勒(Thomas Pichler)的領導下，來自維也納大學的研究團隊開發出了一種新方法，能批量生產出由超過6400個碳原子組成的碳鏈。在此之前，一條碳鏈的長度記錄只有約100個碳原子。

在新的方法中，研究人員採用雙層壁碳納米管來生成穩定的碳鏈，其長度也創下新的記錄。1885年，德國化學家阿道夫·馮·拜爾(Adolf von Baeyer)首次提出了碳炔的概念，他描述了線性炔碳——或者說無限長度的碳鏈——的存在，並將其稱為「carbyne」。不過，他同時指出該材料會非常難以獲得，因為它極其不穩定。

在託馬斯·皮希勒(Thomas Pichler)的領導下，來自維也納大學的研究團隊開發出了一種新方法，能批量生產出由超過6400個碳原子組成的碳鏈。在此之前，一條碳鏈的長度記錄只有約100個碳原子。

為了達到這一新的長度，研究者製造了雙層壁納米管，由兩層石墨烯環繞組成。這些納米管提供了穩定的環境，使超長碳鏈得以生成，長度比此前碳鏈長50倍以上。論文第一作者石磊說：「密閉條件下超長線性碳鏈——比目前已知的最長碳鏈提高了兩個數量級——的直接實驗證據，是最終揭開真正一維的碳同素異形物奧秘的一大跨越。」

碳炔比鑽石的強度高40倍，是石墨烯強度的兩倍，比其他所有碳材料都要強韌。研究者稱，這樣一種材料在未來超高強度設備的發展中將有很重要的用途。

「這項工作還提供了一個很好的例子，為了揭開並控制低維度碳基材料的電學和機械特性，在實驗和理論之間可以進行非常高效和成果豐富的合作，」研究者安傑爾·盧比奧(Angel Rubio)說，「該方法將合成出迄今為止最長的碳鏈，並對其進行定性。對於涉及密閉幾何體內的電子相關和量子力學相轉變等試驗性研究，這些發現提供了試驗的基礎。」

為了證實碳鏈的存在，研究者採用了不同的光譜學和X射線散射技術。他們發現，碳鏈不僅在這些條件下可以穩定存在，而且其電學特性取決於碳鏈的長度。「此外，碳炔的機械和電學特性是非常特別的，」盧比奧說，「意味著納米電子以及光機械設備設計時可以有大量的新的可能性。」

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