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新型碳材料石墨炔首创成功:有望成为“下一代奇迹材料”
张梦然/科技日报
2022-05-25 15:05 
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据最新一期《自然·合成》报道,美国科罗拉多大学研究人员开展的一项研究,已成功合成出科学家们数十年来孜孜以求的一种新型碳——石墨炔。该成果填补了碳材料科学长期存在的空白,或为电子、光学和半导体材料研究开辟全新的途径。一层石墨炔的晶体结构。图片来源:《自然·合成》

一层石墨炔的晶体结构。图片来源:《自然·合成》


长期以来,科学家们不断探索构建新的碳同素异形体,石墨炔正是研究的焦点之一,因为它与另一种受到工业界高度青睐的碳“神奇材料”石墨烯相似。石墨烯研究已经在2010年获得了诺贝尔物理学奖。然而在石墨炔领域,尽管经过数十年的理论研究和实践,科学家只创建出几个石墨炔片段。
根据sp2、sp3和sp杂化碳(或碳原子与其他元素结合的不同方式)及其相应键的利用方式,可采用不同的方式构建碳同素异形体。最著名的碳同素异形体是常用于铅笔和电池等工具的石墨以及金刚石,它们分别由sp2碳和sp3碳制成。
科学家们利用传统化学方法成功地创造了各种同素异形体,包括富勒烯(其发现于1996年获得诺贝尔化学奖)和石墨烯。然而,这些方法不允许不同类型的碳以任何大容量一起合成,这使得推测具有独特电子传导、机械和光学特性的石墨炔材料,停留在理论阶段。
科罗拉多大学博尔德分校化学系教授张伟团队使用炔烃复分解过程以及热力学和动力学控制,成功地创造出以前从未实现的成果:一种可与石墨烯的导电性相媲美但可控的材料。炔烃复分解是一种有机反应,需要重新分配或切割、重整炔烃化学键(一种具有至少一种碳—碳三重共价键的碳氢化合物)。
张伟表示,石墨烯和石墨炔之间有很大的区别,而石墨炔有望成为“下一代奇迹材料”。
虽然材料已经成功创建,但研究团队希望进一步研究它的特定细节,包括如何大规模创建材料以及如何对其进行操作。张伟说,研究团队正在尝试从多个维度探索这种新型材料,包括实验和理论,从原子级到真正的设备,这些努力将有助于弄清楚该材料的电子传导和光学特性如何用于锂离子电池等工业应用。
【总编辑圈点】
柔软的铅笔芯和坚硬的金刚石,本质都是一种物质——碳。它们是碳同素异形体。原子与原子之间通过不同的“杂化”方式就会产生不同的微观结构,最为大名鼎鼎的新型材料是石墨烯,对它的研究曾斩获诺贝尔物理学奖。在实验上,我国科研人员也曾合成出石墨炔。但它们只停留在实验阶段,离理想状况比较遥远。这次,科研人员表示他们创造出了石墨炔,并尝试从多个维度对它进行探索。这是一个正在开启的领域,至于能开启到什么程度,还需要多方努力。
(原标题:“下一代奇迹材料”石墨炔首创成功)

责任编辑:秦艺逍

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