科學家模擬發現三種穩定存在碳結構

 

據美國物理學家組織網6月9日報導，美國紐約州立大學石溪分校的科學家通過模擬發現了3種可穩定存在的新型碳結構。這些材料的密度超過現有三維材料中密度最大的鑽石，具有獨特的電子和光學性能，如能成功合成，將成為材料學領域的一大突破。相關論文6月7日發表在《物理評論B》（Physical Review B）雜誌網絡版上。

 

碳是地球上最常見的一種元素，但其原子的不同組合和結構方式卻造就了多種「身懷絕技」的同素異形體：從柔軟的石墨到超硬的鑽石，從具有完美結構的富勒烯到超級材料碳納米管。幾乎每一種對碳結構的修改都導致了新的技術革命，與碳結構相關的研究在15年內被授予了兩次諾貝爾獎（有關富勒烯的研究1996年被授予諾貝爾化學獎，有關石墨烯的研究2010年被授予諾貝爾物理學獎）。

 

為了探討是否存在比鑽石密度更大的碳結構，研究人員朱強（音）和地質與物理學教授阿特穆斯·歐甘納夫在不同的溫度和壓力下對碳原子的結構形式進行了模擬。結果發現了3種可能存在的穩定結構，它們分別被命名為hP3、tI12和tP12。

 

模擬結果顯示，這3種結構的硬度雖然都未超過鑽石，但它們的密度卻分別比鑽石高出1.1%到3.2%，而更高的密度則意味著更好的導電性能和更優異的色散性和折射率，這將使其比鑽石更加光彩奪目。

 

研究人員通過計算發現，3種材料的帶隙從3.0伏特到7.3伏特各不相同。帶隙是半導體或絕緣體的價帶頂端至傳導帶底端的能量差距，是材料電子結構的一項重要特徵。其中tP12具有目前碳同素異形體中最大的帶隙，電流在上面運行時將幾乎毫無阻力，這使其有望成為超導體和新型電子工程材料的有力候選人。

 

其他有趣的特性包括超低壓縮性。當受到壓力時，新結構耐壓性能比目前絕大多數材料都要好，甚至比目前的紀錄保持者鑽石還要稍勝一籌。

 

研究人員稱，在合成上目前雖然還沒有什麼明確的路徑，但在高溫高壓下對石墨或無定形碳（碳同素異形體的一大類，沒有特定的原子晶體結構）進行擠壓或許能得到一小部分這種新材料。

 

歐甘納夫說，碳在結構上的變化使其在物理上具有無窮無盡的應用價值，如果這些預測的材料得以成功合成，將是材料學的一大突破，也將為計算機等領域帶來新的變革。（來源：科技日報 王小龍）

 

 

 

 

 

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