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我科學(xué)家提出元素碳的一種新結(jié)構(gòu)被命名為T型碳

2011年04月27日10:32 | 中國發(fā)展門戶網(wǎng) www.chinagate.cn | 給編輯寫信 字號(hào)：T|T
關(guān)鍵詞： 元素碳 航空航天材料 T型 星際塵埃 正四面體 維氏硬度 科學(xué)家 帶隙 太陽系外行星

最近，中科院研究生院教授蘇剛及其博士生勝獻(xiàn)雷等人基于密度泛函第一性原理研究，設(shè)計(jì)提出了元素碳的一種新結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)被命名為T型碳(T-carbon)。相關(guān)研究結(jié)果近日發(fā)表在國際著名期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上。

碳是地球上組成生命的最基本元素之一，可以形成sp3、sp2和sp雜化化學(xué)鍵，具有很強(qiáng)的結(jié)合能力，可與其他元素結(jié)合成不計(jì)其數(shù)的無機(jī)和有機(jī)化合物，構(gòu)成了豐富多彩的世界。在自然界，碳一般具有三種同素異形體：石墨、金剛石和無定形碳。

蘇剛等人提出，如果將立方金剛石結(jié)構(gòu)中每個(gè)原子用一個(gè)碳的正四面體來替代，將會(huì)形成碳的一種新型三維立方晶體結(jié)構(gòu)。他們基于密度泛函的第一性原理研究，發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)在幾何、能量以及動(dòng)力學(xué)上都是穩(wěn)定的，并命名該同素異形體為T-carbon。研究表明，T-carbon具有與金剛石相同的空間群，是一種具有直接帶隙的半導(dǎo)體，帶隙在3eV左右，并可通過摻雜來調(diào)控帶隙大小以適用于光催化；其價(jià)電子形成了各向異性的sp3雜化鍵。T-carbon的維氏硬度為61.1GPa，與立方氮化硼的硬度相當(dāng)，比金剛石的硬度小1/3左右，具有非常低的密度，僅為每立方厘米1.5克。與碳的其他同素異形體比較，T-carbon沿特定方向上的原子間距比較大，每個(gè)原子體積是金剛石的兩倍多、石墨的1.5倍；其體彈性模量是金剛石的36%、石墨的57%；其原子間空隙較大，非常有利于做儲(chǔ)能材料。由于上述獨(dú)特的性能，T-carbon一旦實(shí)驗(yàn)上被獲得，將會(huì)在光催化、吸附、儲(chǔ)氫、航空航天材料等領(lǐng)域有潛在的廣泛應(yīng)用。進(jìn)一步的研究顯示，T-carbon也有可能在宇宙星際塵埃或太陽系外行星中被觀察到。

該項(xiàng)工作得到了國家自然科學(xué)基金委和中科院的支持。

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