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我校杨国伟教授研究组在碳材料研究取得重大突破


稿件来源:物理科学与工程技术学院 | 作者:物理科学与工程技术学院 | 编辑:蔡珊珊 | 发布日期:2015-11-10 | 阅读次数:


       我校材料科学与工程学院(筹)、物理科学与工程技术学院、光电材料与技术国家重点实验室及纳米技术研究中心的杨国伟教授研究组,在10月30日出版的Science子刊Science Advances发表他们在碳材料研究中取得的重大突破。
       碳是自然界一种很常见却很重要的元素,它以多种形式存在于地球和宇宙空间,是已知的所有生命(动物和植物)系统都不可或缺的,而碳材料已经广泛地应用于工业的许多领域。在科学上,如果以碳原子存在的形式来对碳进行分类的话,那么自然界应该存在三种碳。第一种是以三维SP3杂化结构碳原子构成的金刚石以及基于SP3杂化的Lonsdaleite和C8等金刚石的同素异构体;第二种是以二维SP2杂化结构碳原子构成的石墨以及基于SP2杂化的富勒烯、碳纳米管和石墨烯等石墨的同素异构体。众所周知,这两种碳及相应的同素异构体如金刚石、石墨、富勒烯、碳纳米管、石墨烯等的研究不仅对人类的科学认识产生了重要影响,而且极大地推动了技术的进步。然而,自然界还应该存在第三种碳,即由一维SP杂化结构碳原子构成的Carbyne。所谓一维SP杂化结构就是指由碳原子构成的线型链状结构,其中碳原子之间分别以碳碳单键和碳碳三键相连。上世纪60年代,科学家在来自宇宙尘埃的光谱中扑捉到碳碳单键和碳碳三键存在的信息,认为存在除了三维SP3杂化和二维SP2杂化碳以外,还应该存在一维SP杂化结构;进而在坠入地球的一块陨石中发现一种呈白色粉末状的不同于金刚石和石墨的新六方碳相,并由此而推测这应该就是第三种碳Carbyne。这一发现激起了人们对新碳材料研究的极大热情,自此,来自物理、化学和材料等领域的科学家开始探索在实验室合成Carbyne。同时,理论物理和化学家预言了Carbyne在物理和化学上有着许多奇异的性质,并使得它在诸多领域都会像富勒烯和石墨烯等同素异构体一样有着重要应用。但是,尽管科学家们尝试了无数的物理制备和化学合成,然而到目前为止,还没有任何令人信服的实验证据表明人们能够在实验室合成Carbyne。难道Carbyne只是一个碳的传说(Myth)吗?这种猜测成了碳科学研究者脑海里挥之不去的疑云。
       最近,我校杨国伟教授研究组在Science子刊Science Advances发表论文宣布了他们在国际上第一次合成了Carbyne及其凝聚相Carbyne晶体 (Science Advances 1 (2015) e1500857)。Carbyne是碳的一种亚稳相,它的热力学稳定区处于高温和高压状态,并且其独特的线型碳碳单键和碳碳三键分子链的形成对所用合成碳源有特殊要求,这些苛刻的要求也许就是Carbyne在实验室无法合成的主要原因。近年来,杨国伟教授研究组发展了一种独特的制备亚稳相纳米结构的方法即LAL(laser ablation in liquid, LAL),并且采用LAL制备了一大批新型亚稳纳米材料和纳米结构。现在,他们将LAL应用于Carbyne的合成研究。通过选择合适的液体环境和固体靶材料,他们巧妙地利用贵金属高温脱氢反应和LAL所提供的高温高压热力学环境,在液相中实现了Carbyne分子的成核与生长,合成出了Carbyne晶体,一种白色粉末晶体。重要的是,他们首次给出了Carbyne晶体的包括完整的Raman谱在内的各种特征谱和完美的晶体结构数据,这些重要的原始实验数据在Carbyne的研究上是第一次被提供。所以,这些令人信服的实验事实充分表明:除了金刚石和石墨以外,第三种碳Carbyne,这个曾经的“碳传说”(Carbyne Myth),现在已经可以在实验室合成了。显然,这一成果堪称碳研究的重大突破。Carbyne目前没有相应的中文术语,根据它的研究历史,我们称Carbyne的中文译名为“白碳”。这样的话,自然界的三种碳就是:三维SP3杂化结构碳原子构成的金刚石、二维SP2杂化结构碳原子构成的石墨和一维SP杂化结构碳原子构成的白碳。
       正如它的富勒烯、碳纳米管和石墨烯等同素异构体一样,白碳被科学家们寄予厚望,认为它将在室温超导、超高强度材料、最细碳纳米结构等等领域产生重大的技术突破。显然,杨国伟教授研究组合成的白碳为其进一步的应用研究提供了重要的物质基础。同时,他们最新的研究发现:白碳具有本征的发光覆盖了从紫外到红外的整个光谱,而且由于它的晶体结构的独特性导致了其本征的顺磁性。众所周知,除了金刚石以外,碳材料基本上是不发光的,也没有本征磁性。所以,不像它们在微电子学领域大放异彩,其在光电子学和磁学领域应用十分有限。显然,白碳的发光和磁性将会极大地推动碳光电子学和碳磁学的发展,进而在全碳光电子器件和碳基磁性器件等应用中产生重要作用。所以,白碳的合成必将迎来一个碳科学和技术的新时代。
       本研究是杨国伟教授研究组在中山大学独立完成的,得到国家重大科学研究计划项目、国家自然科学基金重大研究计划重点支持项目和光电材料与技术国家重点实验室的大力资助。

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