下一代 “神奇材料”--石墨炔首次被创造出来

2022年05月22日 10:08 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

十多年来,科学家们一直试图合成一种名为“石墨炔”的新形式的碳,但成效有限。不过由于科罗拉多大学博尔德分校的新研究,这种情况现在已经结束了。长期以来,石墨炔一直受到科学家们的关注,因为它跟“神奇材料”石墨烯相似,后者是另一种碳的形式,受到工业界的高度重视,其研究甚至在2010年获得了诺贝尔物理奖。然而,尽管经过几十年的工作和理论研究,在此之前只有少数碎片被创造出来。

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于5月9日发表在《Nature Synthesis》上的研究论文填补了碳材料科学的一个长期空白并有可能为电子学、光学和半导体材料研究带来全新的可能性。

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论文第一作者Yiming Hu说道:“整个听众,整个领域都非常兴奋,这个长期存在的问题或者说这种想象的材料终于得到了实现。”

科学家们长期以来一直对构建新的或新颖的碳同位素或碳的形式感兴趣,因为碳在工业上非常有用且具有多功能性。

根据如何利用碳的混合体(表示为sp2、sp3和sp杂化碳(或碳原子跟其他元素结合的不同方式)及其相应的键可以有不同的方式构建碳同位素。最知名的碳异构体是石墨(用于铅笔和电池等工具)和钻石,它们分别由sp2碳和sp3碳创造出来。

通过使用传统的化学方法,科学家们已经成功地创造了各种同位素,包括富勒烯和石墨烯。

然而,这些方法并不允许将不同类型的碳以任何形式的大容量合成在一起,就像石墨烯所需要的那样,这使得这种理论上的材料--据推测具有独特的电子传导、机械和光学特性--仍只是一种理论。

但也正是这种对非传统材料的需求导致该领域的人向Zhang的实验室小组伸出援手。

Zhang是中大博尔德分校的化学教授,他研究的是可逆化学,也就是允许纽带自我修正的化学并允许创造新的有序结构或格子如合成DNA一样的聚合物。

在被接触后,Zhang和他的实验室小组决定试一试。

创造石墨烯是一个“真正的老问题,由于合成工具有限,人们的兴趣下降了,”曾是Zhang的实验室小组的博士生的Hu评论道,“我们再次把这个问题拿出来,用一个新的工具来解决一个真正重要的老问题。”

通过利用一种被称为炔烃换位反应的过程--这是一种有机反应,需要重新分配,或切割和重组烷基化学键--以及热力学和动力学控制,该小组得以成功创造出以前从未创造过的东西。一种可以跟石墨烯的导电性能相媲美的材料--但具有控制性。

“(石墨烯和石墨炔之间)有一个相当大的区别,但以一种好的方式,这可能是下一代的神奇材料。这就是为什么人们非常兴奋,”Zhang说道。

虽然这种材料已经被成功创建,但该团队仍希望研究它的具体细节,其中包括如何大规模创建这种材料以及如何操纵它。

“我们确实在努力从多个维度探索这种新型材料,包括实验和理论,从原子级到真正的设备,”Zhang在谈到下一步的计划时说道。

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如何能用于锂离子电池等工业应用。

“我们希望在未来我们能降低成本并简化反应过程,然后,希望人们能真正从我们的研究中受益,”Hu说道。

在Zhang看来,如果没有一个跨学科团队的支持,这样的研究永远不可能完成。

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