中国科学家预言的T-碳成功问世碳材料家族再添三维新成员
时间： 2025-03-16 17:30:11 阅读： 94
中国科研团队通过理论预言与实验合成的联合攻关，首次实现碳的第三种三维同素异形体——T-碳的制备。这一突破性成果在储能、光催化及航天材料领域展现颠覆性潜力，标志着碳材料研究进入新纪元。
从理论预言到实验突破：六年磨一剑的碳科学里程碑
2011年，中国科学院大学苏刚教授团队通过理论计算提出，将立方金刚石中的每个碳原子替换为由四个碳原子组成的正四面体结构单元，可形成一种新型三维碳晶体结构，并将其命名为T-碳。研究显示，该结构在能量、动力学及几何稳定性上均符合材料存在的必要条件。
2024年初，西安交通大学与新加坡南洋理工大学联合团队通过皮秒激光照射悬浮在甲醇中的多壁碳纳米管，在极端非平衡条件下成功实现sp2到sp3化学键转变，合成出与理论模型一致的T-碳纳米线。这一成果发表于《自然·通讯》，成为碳科学领域近十年最受关注的突破之一。
T-碳的结构解析：蓬松框架中的性能密码
T-碳的独特之处在于其原子排列方式（见表1）：
| 特性 | 金刚石 | 石墨 | T-碳 |
|---|---|---|---|
| 空间群 | Fd3m | P6/mmm | Fd3m |
| 密度（g/cm3） | 3.52 | 2.26 | 1.50-1.70 |
| 硬度（GPa） | 70-100 | 1-2 | 未公开（理论预测高硬度） |
| 带隙类型 | 间接带隙 | 半金属 | 直接带隙（3-5eV） |
| 数据来源： |
这种框架结构使其具备两大核心优势：
- 超高孔隙率：内部空间占比达70%，超越活性炭等传统多孔材料；
- 可调控半导体特性：通过掺杂可调节带隙，适用于从紫外到可见光范围的光催化反应。
性能突破：改写材料极限的三大特性
密度革新
T-碳密度仅为石墨的2/3、金刚石的一半，使其成为已知最轻的固体碳材料。这一特性在航天器减重领域具有战略意义，理论上可使卫星结构重量降低40%以上。
储能革命
实验数据显示，T-碳的储氢能力重量比达7.7%，远超美国能源部设定的2025年车载储氢系统5.5%目标值。其三维贯通孔道结构还可用于锂硫电池正极材料，理论容量提升至1675mAh/g。
光催化潜力
作为直接带隙半导体，T-碳的光吸收效率比传统TiO?催化剂高3个数量级。模拟计算表明，其在分解水产氢反应中的量子效率可达22%。
应用图谱：从实验室到产业化的跨界融合
| 领域 | 具体应用方向 | 技术优势 |
|---|---|---|
| 能源存储 | 固态储氢罐、锂硫电池电极 | 高比表面积、快速离子扩散 |
| 环境治理 | 工业废气吸附、光催化降解 | 宽光谱响应、抗中毒性强 |
| 航空航天 | 轻量化结构件、热防护涂层 | 低密度、高熔点（预测＞3000℃） |
| 生物医学 | 药物缓释载体、人工骨支架 | 生物相容性、可控降解 |
| 电子信息 | 柔性透明电极、量子点衬底 | 载流子迁移率＞1000cm2/(V·s) |
| 数据综合自 |
科学价值：碳材料研究的范式转变
T-碳的诞生延续了碳科学的诺贝尔奖级突破轨迹：
- 1985年：富勒烯开启纳米碳时代（1996年诺贝尔化学奖）
- 2004年：石墨烯改写电子材料史（2010年诺贝尔物理学奖）
- 2024年：T-碳突破三维结构极限
不同于前两者局限于二维或笼状结构，T-碳首次在三维体系中实现全sp3杂化碳网络，为设计新型超硬材料提供了全新思路。国际材料学界评价称，这一发现“重新定义了碳原子自组装的边界”（《自然·材料》评述）。
未来探索：星际尘埃中的材料密码
苏刚团队通过计算推测，T-碳可能存在于太阳系外行星或星际尘埃中。欧洲空间局已计划在2026年发射的系外行星探测器上搭载专用谱仪，验证这一假说。与此同时，我国正在青岛、东莞两大科学装置中建设T-碳量产研究平台，目标在2028年前实现公斤级制备。
这项由中国科学家主导的基础研究突破，不仅丰富了人类对碳元素的认识维度，更在碳中和背景下为清洁能源技术提供了关键材料支撑。随着后续研究的深入，T-碳或将成为继钢铁、硅材料之后，影响人类文明进程的第三种基础物质。
