碳原子是神奇的，既可構(gòu)成世界最軟的礦物質(zhì)石墨，也能構(gòu)成自然界中最堅(jiān)硬的物質(zhì)金剛石。最近我國(guó)科學(xué)家又在碳原子研究上獲得突破：由中科院大學(xué)物理學(xué)院蘇剛教授等人通過(guò)理論計(jì)算預(yù)言的一種三維碳結(jié)構(gòu)T-碳（T-carbon）誕生，中外科學(xué)家聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)成功合成了T-碳，從而使T-碳成為可與石墨和金剛石比肩的碳的另一種三維新結(jié)構(gòu)。

       11月23日，蘇剛在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)表示，T-碳是一種蓬松的碳材料，內(nèi)部有很大的可利用空間，如果用作儲(chǔ)能材料，其儲(chǔ)氫能力重量百分比不低于7.7%。蘇剛認(rèn)為，T-碳將會(huì)在光催化、吸附、儲(chǔ)能、航空航天材料等領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用前景。

       1980年代以來(lái)，科學(xué)家對(duì)獲得碳的新結(jié)構(gòu)興趣濃厚，并催生了兩次諾貝爾獎(jiǎng)。這不僅在化學(xué)、物理、材料和信息科學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)生巨大影響，也催生了工業(yè)和技術(shù)上的大量應(yīng)用。基于這些結(jié)構(gòu)，科學(xué)家又合成了許多新的衍生物，并制成了新的功能器件和相關(guān)產(chǎn)品。

       碳原子有四個(gè)價(jià)電子，發(fā)生軌道雜化（原有一些能量較近的原子軌道重新組合成新的原子軌道）后它就像四只手，具有很強(qiáng)的與自身及其他元素相結(jié)合的能力。碳可以形成sp2雜化的石墨烯，形成sp3雜化的金剛石，還有sp-sp2雜化的石墨炔，sp-sp3雜化的金剛石炔?！盎瘜W(xué)上，碳可以與其他元素結(jié)合在一起，組成包括DNA、蛋白質(zhì)和其他重要的生物大分子，從而使碳成為地球上組成生命的最基本的元素之一。”蘇剛說(shuō)。

       2011年，蘇剛指導(dǎo)博士生勝獻(xiàn)雷等通過(guò)大量對(duì)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)由四個(gè)碳原子組成的正四面體結(jié)構(gòu)單元取代，將會(huì)形成碳的一種新型三維立方晶體結(jié)構(gòu)。他們基于密度泛函的第一性原理研究，發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)在幾何、能量以及動(dòng)力學(xué)方面都是極其穩(wěn)定的。他們把這種碳的新型同素異形體命名為T(mén)-carbon。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(dǎo)體，可通過(guò)摻雜來(lái)調(diào)控帶隙以適用于光催化。T-碳還有一個(gè)鮮明特點(diǎn)，密度非常小，約為石墨的2/3，金剛石的一半。

       蘇剛等人通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)T-碳可能在負(fù)壓環(huán)境下更易形成。T-碳有可能在宇宙星際塵埃或太陽(yáng)系外行星中被觀測(cè)到。

       對(duì)于發(fā)現(xiàn)T-碳的工作，業(yè)內(nèi)專(zhuān)家給予高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為“T-碳開(kāi)啟了碳結(jié)構(gòu)研究的新紀(jì)元，將激發(fā)其他科學(xué)家進(jìn)行廣泛的理論和實(shí)驗(yàn)研究”。

       T-碳能否在實(shí)驗(yàn)室合成？蘇剛近年來(lái)一直致力于推動(dòng)T-碳的實(shí)驗(yàn)合成工作。2017年年初，西安交通大學(xué)和新加坡南洋理工大學(xué)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，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，成功地實(shí)現(xiàn)了從sp2到sp3化學(xué)鍵的轉(zhuǎn)變，其形成的新型碳材料與理論預(yù)測(cè)的T-碳完全一致，證明合成了T-碳。有關(guān)合成T-碳的實(shí)驗(yàn)結(jié)果前不久在《自然·通訊》上公布。

       結(jié)構(gòu)決定性能這個(gè)基本的化學(xué)原理在碳素材料中得到了最神奇的體現(xiàn)，改變碳原子之間的連接方式就會(huì)得到性能迥然不同的材料。石墨是半金屬和柔軟的潤(rùn)滑劑；金剛石不導(dǎo)電，是最硬的材料；碳納米管既可以是半導(dǎo)體，又可以是金屬，同時(shí)又是強(qiáng)度最高的纖維；與碳納米管相似，石墨烯集好幾項(xiàng)看似不相容的性能與一身，是載流子遷移率最高的半導(dǎo)體。從人工合成金剛石到碳納米管和石墨烯，碳科學(xué)一直保持在科學(xué)研究的前沿。

       在2011年，科學(xué)家通過(guò)計(jì)算預(yù)言了T-carbon的可能性，但是從來(lái)沒(méi)有人觀察到、能夠在實(shí)驗(yàn)室合成。近日，西安交大電氣學(xué)院電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室新型儲(chǔ)能與能量轉(zhuǎn)換納米材料研究中心牛春明千人團(tuán)隊(duì)張錦英研究小組在碳素材料研究過(guò)程中取得突破，合成了碳的又一個(gè)新型同素異形體，通過(guò)皮秒激光照射懸浮在甲醇溶液中的多壁碳納米管，在這種極端偏離熱力學(xué)平衡態(tài)的條件下，成功地實(shí)現(xiàn)了從sp2到sp3化學(xué)鍵的轉(zhuǎn)變，捕捉到了這種亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。

       詳細(xì)的結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)在瞬間飛秒激光照射下中空的碳納米管轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)心的碳納米棒，碳納米棒中碳原子之間的連接方式同理論預(yù)測(cè)的T-carbon完全一致，證明合成了這種結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程涉及氣、液和固態(tài)三相，反應(yīng)機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

       該研究激光實(shí)驗(yàn)操作由西安交大機(jī)械學(xué)院王文君研究團(tuán)隊(duì)完成，電鏡工作由西安交大電信學(xué)院賈春林教授團(tuán)隊(duì)完成，理論模擬工作由新加坡南洋理工大學(xué)蘇海濱研究團(tuán)隊(duì)完成。相關(guān)成果以“Pseudo-topotactic conversion of carbon nanotubes to T-carbon nanowires in methanol under irradiation of picosecond laser” 為題發(fā)表在Nature Communications雜志（https://www.nature.com/articles/s41467-017-00817-9）。