美模拟发现三种稳定存在的碳结构

2011-6-10 10:02 来源: 中国科学院
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  ,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。