T—碳是中國科學院大學教授蘇剛團隊6年前通過理論計算預言的一種新型三維碳結構. 日前, 該碳結構被西安交大和新加坡南洋理工大學聯合團隊在實驗上成功合成, 證實了蘇剛團隊的理論預言, 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構, 從而為碳家族增加了新成員.
2011年, 蘇剛指導博士生勝獻雷, 與閆清波博士, 葉飛副教授和鄭慶榮教授等合作, 通過大量對比研究後提出, 如果將立方金剛石中的每個碳原子用一個由4個碳原子組成的正四面體結構單元取代, 將會形成碳的一種新型三維立方晶體結構. 他們基於密度泛函的第一性原理研究, 發現這種結構在幾何, 能量以及動力學方面都是極其穩定的, 並把這種碳的新型同素異形體命名為T—碳.
蘇剛等人的研究表明, T—碳具有與金剛石相同的空間群, 是一個具有直接帶隙的半導體. T—碳還有一個鮮明特點, 其密度非常小, 約為石墨的2/3, 金剛石的一半. T—碳也具有很高的硬度. 由於T—碳是一個蓬鬆的碳材料, 其內部有很大空間可供利用, 如果用於儲能材料, 其儲氫能力不低於7.7wt%. 由於上述獨特的性能, T—碳將會在光催化, 吸附, 儲能, 航空航天材料等領域擁有廣泛的潛在應用. 業內專家認為這項工作開啟了碳結構研究的新紀元.
蘇剛等人通過仔細計算, 發現T—碳可能在負壓環境下易於形成. 進一步的研究也表明, T—碳有可能在宇宙星際塵埃或太陽系外行星中被觀測到.
蘇剛告訴《中國科學報》記者, 在完成理論預言後, 自己長期致力於推動T—碳的實驗合成工作. '愛迪生說過, 99%的實驗都會失敗, 但堅持就一定會有收穫. 令人欣慰的是, 2017年西安交大和新加坡南洋理工大學聯合研究團隊終於成為了那幸運的1%. ' 通過皮秒雷射照射懸浮在甲醇溶液中的多壁碳納米管, 在極端偏離熱力學平衡態的條件下, 他們成功實現了從sp2到sp3化學鍵的轉變, 詳細的結構研究發現: 形成的新型碳材料與理論預測的T—碳完全一致, 證明合成了T—碳.
此外, T—碳的實驗合成不僅在應用上具有誘人的前景, 同時也具有重要的科學意義. 近年來, 理論家們提出了很多種碳結構模型, 只有T—碳目前被實驗成功合成, 這絕非僅是巧合. '很長時間以來, 天文學家就觀測到宇宙塵埃中碳的含量只有太陽系物質中的60%, 並長期致力於研究碳危機之謎. 而T—碳的密度恰好為石墨的2/3. 這似乎提供了一個啟示, 如果星際塵埃中的碳大部分是以T—碳的形式存在的話, 這是否就是碳危機這樣一個重要科學問題的最終答案呢? ' 蘇剛告訴《中國科學報》記者.
西安交大和新加坡南洋理工大學聯合研究團隊對T—碳的光吸收實驗也顯示, 其主要光吸收峰的位置與星際塵埃中消光曲線鼓峰對應的位置很接近. 對這個問題的最終答案, 還需要天文學家通過天文觀測來進一步證實. 蘇剛認為, 在這方面, 我國新建的世界上鏡面直徑最大的射電天文望遠鏡FAST也許可以發揮重要作用.