美国模拟发现三种稳定存在的碳结构

美国纽约州立大学石溪分校的科学家通过模拟发现了3种可稳定存在的新型碳结构。这些材料的密度超过现有三维材料中密度最大的钻石，具有独特的电子和光学性能，如能成功合成，将成为材料学领域的一大突破。相关论文6月7日发表在《物理评论快报B》杂志网络版上。
　　碳是地球上最常见的一种元素，但其原子的不同组合和结构方式却造就了多种“身怀绝技”的同素异形体：从柔软的石墨到超硬的钻石，从具有完美结构的富勒烯到超级材料碳纳米管。几乎每一种对碳结构的修改都导致了新的技术革命，与碳结构相关的研究在15年内被授予了两次诺贝尔奖（有关富勒烯的研究1996年被授予诺贝尔化学奖，有关石墨烯的研究2010年被授予诺贝尔物理学奖）。
　　为了探讨是否存在比钻石密度更大的碳结构，研究人员朱强（音）和地质与物理学教授阿特穆斯·欧甘纳夫在不同的温度和压力下对碳原子的结构形式进行了模拟。结果发现了3种可能存在的稳定结构，它们分别被命名为hP3、tI12和tP12。
　　模拟结果显示，这3种结构的硬度虽然都未超过钻石，但它们的密度却分别比钻石高出1.1%到3.2%，而更高的密度则意味着更好的导电性能和更优异的色散性和折射率，这将使其比钻石更加光彩夺目。
　　研究人员通过计算发现，3种材料的带隙从3.0伏特到7.3伏特各不相同。带隙是半导体或绝缘体的价带顶端至传导带底端的能量差距，是材料电子结构的一项重要特征。其中tP12具有目前碳同素异形体中最大的带隙，电流在上面运行时将几乎毫无阻力，这使其有望成为超导体和新型电子工程材料的有力候选人。
　　其他有趣的特性包括超低压缩性。当受到压力时，新结构耐压性能比目前绝大多数材料都要好，甚至比目前的纪录保持者钻石还要稍胜一筹。
　　研究人员称，在合成上目前虽然还没有什么明确的路径，但在高温高压下对石墨或无定形碳（碳同素异形体的一大类，没有特定的原子晶体结构）进行挤压或许能得到一小部分这种新材料。
　　欧甘纳夫说，碳在结构上的变化使其在物理上具有无穷无尽的应用价值，如果这些预测的材料得以成功合成，将是材料学的一大突破，也将为计算机等领域带来新的变革。