西安交大科研人员首次合成碳的新型同素异形体

结构决定性能这个基本的化学原理在碳素材料中得到了最神奇的体现,改变碳原子之间的连接方式就会得到性能迥然不同的材料。石墨是半金属和柔软的润滑剂;金刚石不导电,是最硬的材料;碳纳米管既可以是半导体,又可以是金属,同时又是强度最高的纤维;与碳纳米管相似,石墨烯集好几项看似不相容的性能与一身,是载流子迁移率最高的半导体。从人工合成金刚石到碳纳米管和石墨烯,碳科学一直保持在科学研究的前沿。

在2011年,科学家通过计算预言了T-carbon的可能性,但是从来没有人观察到、能够在实验室合成。近日,西安交大电气学院电力设备电气绝缘国家重点实验室新型储能与能量转换纳米材料研究中心牛春明千人团队张锦英研究小组在碳素材料研究过程中取得突破,合成了碳的又一个新型同素异形体,通过皮秒激光照射悬浮在甲醇溶液中的多壁碳纳米管,在这种极端偏离热力学平衡态的条件下,成功地实现了从sp2到sp3化学键的转变,捕捉到了这种亚稳态结构。详细的结构研究发现在瞬间飞秒激光照射下中空的碳纳米管转变为实心的碳纳米棒,碳纳米棒中碳原子之间的连接方式同理论预测的T-carbon完全一致,证明合成了这种结构。实验的化学反应过程涉及气、液和固态三相,反应机理有待进一步研究。

该研究激光实验操作由西安交大机械学院王文君研究团队完成,电镜工作由西安交大电信学院贾春林教授团队完成,理论模拟工作由新加坡南洋理工大学苏海滨研究团队完成。相关成果以“Pseudo-topotactic conversion of carbon nanotubes to T-carbon nanowires in methanol under irradiation of picosecond laser” 为题发表在Nature Communications杂志(https://www.nature.com/articles/s41467-017-00817-9)。

新型储能与能量转换纳米材料研究中心(http://cne.xjtu.edu.cn/CNRE/e/action/ListInfo/?classid=14)围绕未来储能和能量转换科学技术发展的核心问题-材料开展研究,核心任务是通过基础研究发现和合成可用于储能和能量转换的纳米新材料,开发这些材料的生产和应用技术,推动这些技术的工业化进程。