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2022-05-26 10:48
下一代神奇材料石墨炔,合成成功了

本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:Gaviota,原文标题:《合成成功!石墨炔(没写错)》,题图来自:CU Boulder


碳可以说是地球上最重要的元素之一。它不仅是生命的基础,还在工业上大有用途,更是受到了科学界的广泛关注。由于碳的多功能性,长期以来,科学家一直对构建碳的新形式感兴趣。


近日,一组研究人员又迈出了关键一步,填补了碳材料科学的一个长期空白。他们合成了一种被称为石墨炔(graphyne)的新形式的碳,为电子学、光学和半导体材料研究带来了全新的可能。论文已发表在《自然·合成》上。


石墨炔。(图/Yiming Hu, CU Boulder)


一、碳的同素异形体  


在化学上,同素异形体指的是由同种元素组成的结构各异的单质。根据碳不同的杂化方式和相应的化学键,或者可以简单理解成碳究竟是如何被“连在一起”的,比如sp²、sp³和sp杂化碳,碳的同素异形体可以通过许多不同的方式被构建出来。


碳的同素异形体,包括常见的石墨和金刚石,以及科学家构建出的富勒烯、石墨烯和碳纳米管。(图/Anil Ohlan, Research Gate)


最常见的碳的同素异形体当属自然存在的石墨和金刚石,它们就是分别由sp²碳和sp³碳创造而来。


除此之外,借助传统的化学方法,科学家多年来已经成功地创造了许多碳的同素异形体,其中不乏“诺奖级”的发现,比如富勒烯的发现者于1996年获得了诺贝尔化学奖。还有一种更受关注的“神奇材料”被称为石墨烯,相关科学家也因开创性的实验研究获得了2010年诺贝尔物理学奖。


二、合成石墨炔  


然而,自上世纪中叶,理论研究实际上还预测了另一种碳的同素异形体的存在,它被称为石墨炔。


石墨炔与石墨烯有些许相似,它是一种单原子的碳片结构,导电性可以与石墨烯相媲美,但它也有自身的特别之处。


根据理论预测,与石墨烯不同,石墨炔的二维框架除了双键之外还含有三键,这些三键在石墨烯的完美六边形晶格之外,还可能开辟不同几何形状的无限阵列。曾有研究认为,某些石墨炔可能具有狄拉克锥,这可以理解成一种电子带结构的不寻常特征。


因此,普遍认为,石墨炔应该具有某些独特的电子传导、力学和光学特性,这种材料也一直备受关注。


多年来,科学家一直试图合成石墨炔,但收效甚微。尽管经过几十年的实验和理论研究,此前只有少量微小的碎片被创造出来。由于合成工具有限,那些传统手段无法将不同类型的碳大量合成在一起。因此,这种理论上的材料一直局限于一种理论。


在这项新研究中,科学家再次向这个长期存在的重要问题发起了挑战。


团队借助炔烃换位反应合成了石墨炔。(图/Y. et al., Nature Synthesis)


团队想到了一种被称为炔烃换位反应的过程,这是一种有机反应,涉及再分配,也就是切割和重组炔烃化学键(一种至少有一个碳-碳三价键的碳氢化合物)。借助这种反应,以及精细的热力学和动力学控制,他们最终成功制备出了大量石墨炔。


三、开启多维度的探索  


虽然已经成功创造出这种材料,但这仅仅是第一步。团队还希望研究它的更多细节,比如如何实现大规模制备,以及如何操纵这种材料。


研究通讯作者、科罗拉多大学波尔德分校化学教授张伟在谈到下一步研究时表示,他们正努力从多个维度探索石墨炔,包括实验和理论,从原子层面到实际设备。“它可能是新一代的神奇材料。这就是为什么人们如此兴奋。”


研究人员同样希望,未来能够降低成本,简化反应过程。这些努力反过来应该有助于弄清这种材料的电子传导和光学特性能够如何应用在锂离子电池等工业领域中。


参考资料:

https://www.colorado.edu/asmagazine/2022/05/19/long-hypothesized-next-generation-wonder-material-created-first-time

https://physics.aps.org/articles/v5/24

https://www.nature.com/articles/s44160-022-00068-7


本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:Gaviota

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