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石墨炔有望成“下一代奇跡材料” 填補碳材料科學長期空白

發(fā)布日期： 2022-05-25 11:35:18 來源：科技日報

據(jù)最新一期《自然·合成》報道，美國科羅拉多大學研究人員開展的一項研究，已成功合成出科學家們數(shù)十年來孜孜以求的一種新型碳——石墨炔。該成果填補了碳材料科學長期存在的空白，或為電子、光學和半導體材料研究開辟全新的途徑。

長期以來，科學家們不斷探索構(gòu)建新的碳同素異形體，石墨炔正是研究的焦點之一，因為它與另一種受到工業(yè)界高度青睞的碳“神奇材料”石墨烯相似。石墨烯研究已經(jīng)在2010年獲得了諾貝爾物理學獎。然而在石墨炔領域，盡管經(jīng)過數(shù)十年的理論研究和實踐，科學家只創(chuàng)建出幾個石墨炔片段。

根據(jù)sp2、sp3和sp雜化碳(或碳原子與其他元素結(jié)合的不同方式)及其相應鍵的利用方式，可采用不同的方式構(gòu)建碳同素異形體。最著名的碳同素異形體是常用于鉛筆和電池等工具的石墨以及金剛石，它們分別由sp2碳和sp3碳制成。

科學家們利用傳統(tǒng)化學方法成功地創(chuàng)造了各種同素異形體，包括富勒烯(其發(fā)現(xiàn)于1996年獲得諾貝爾化學獎)和石墨烯。然而，這些方法不允許不同類型的碳以任何大容量一起合成，這使得推測具有獨特電子傳導、機械和光學特性的石墨炔材料，停留在理論階段。

科羅拉多大學博爾德分校化學系教授張偉團隊使用炔烴復分解過程以及熱力學和動力學控制，成功地創(chuàng)造出以前從未實現(xiàn)的成果：一種可與石墨烯的導電性相媲美但可控的材料。炔烴復分解是一種有機反應，需要重新分配或切割、重整炔烴化學鍵(一種具有至少一種碳—碳三重共價鍵的碳氫化合物)。

張偉表示，石墨烯和石墨炔之間有很大的區(qū)別，而石墨炔有望成為“下一代奇跡材料”。

雖然材料已經(jīng)成功創(chuàng)建，但研究團隊希望進一步研究它的特定細節(jié)，包括如何大規(guī)模創(chuàng)建材料以及如何對其進行操作。張偉說，研究團隊正在嘗試從多個維度探索這種新型材料，包括實驗和理論，從原子級到真正的設備，這些努力將有助于弄清楚該材料的電子傳導和光學特性如何用于鋰離子電池等工業(yè)應用。

總編輯圈點

柔軟的鉛筆芯和堅硬的金剛石，本質(zhì)都是一種物質(zhì)——碳。它們是碳同素異形體。原子與原子之間通過不同的“雜化”方式就會產(chǎn)生不同的微觀結(jié)構(gòu)，最為大名鼎鼎的新型材料是石墨烯，對它的研究曾斬獲諾貝爾物理學獎。在實驗上，我國科研人員也曾合成出石墨炔。但它們只停留在實驗階段，離理想狀況比較遙遠。這次，科研人員表示他們創(chuàng)造出了石墨炔，并嘗試從多個維度對它進行探索。這是一個正在開啟的領域，至于能開啟到什么程度，還需要多方努力。(科技日報記者張夢然)