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明年諾貝爾獎預定?日本科學家發現新型碳材料

繼碳納米管與石墨烯誕生以來,近日日本科學家成功制備出了負曲率表面的碳材料——Schwarzites碳籠。這一成果立即引發了科學界的高度關注… 碳,是一種極為常見的化學元素,卻充滿神秘和未知的色彩。堅硬無比的金剛石和質軟滑膩的石墨是碳家族最出名的碳三維

繼碳納米管與石墨烯誕生以來,近日日本科學家成功制備出了負曲率表面的碳材料——Schwarzites碳籠。這一成果立即引發了科學界的高度關注…

碳,是一種極為常見的化學元素,卻充滿神秘和未知的色彩。堅硬無比的金剛石和質軟滑膩的石墨是碳家族最出名的碳三維晶體;20世紀80年代,科學家首次發現富勒烯碳(C60),由20個正六邊形和12個正五邊形構成,碳原子以球狀穹頂結構鍵合,熔沸點低,硬度小且絕緣。

明年諾貝爾獎預定?日本科學家發現新型碳材料

20世紀90年代,碳納米管首次被發現,其特征為由六邊形排列的碳原子構成數層到數十層的同軸圓管,層與層之間保持約0.34nm距離,具有高強度、良好的導電傳熱性能;21世紀,英國科學家成功制備出單原子層石墨烯,這種呈六邊形網狀結構,且具有優異的光學、電學、力學特性的全新碳材料迅速燃爆全球,成為21世紀最具影響力的新材料!

富勒烯、碳納米管和石墨烯之間存在必然的關聯。當六邊形結構組成的平面石墨烯片產生缺陷,部分六邊形被五邊形取代時就可以在三維空間內卷起來形成足球形狀的富勒烯。同樣,石墨烯六邊形缺陷也可以使其彎曲成圓柱體而產生納米管。

明年諾貝爾獎預定?日本科學家發現新型碳材料

19世紀80年代,德國物理學家赫爾曼·施瓦茨研究了類似于肥皂泡表面的負彎曲(凹面)結構,并在20世紀90年代關于興起了關于碳籠分子的理論研究,人們想象可能同樣存在負彎曲率的碳籠,稱之為Schwarzites碳籠。然而,負曲率碳結構從未被報道。截止目前,正曲率的富勒烯和曲率為零的石墨烯相繼被發現并成功制備,并分別于1996年和2010年獲得了科學界的無上榮譽——諾貝爾獎。

明年諾貝爾獎預定?日本科學家發現新型碳材料

以沸石為模板來制備碳材料是一種常用的研究手段。最近,韓國和日本科學家利用沸石模板碳(ZTC)成功在沸石的孔內形成schwarzite籠狀結構。研究人員在沸石內部注入含碳分子的蒸氣,使得碳附著在沸石孔壁上并組裝成類二維石墨烯片。由于比表面吉布斯自由能趨于最小,二維石墨烯片表面被拉緊以達到表面積最小化,形成類似于馬鞍狀的負曲率表面。最終成功獲得了三種新型的碳結構分子。

明年諾貝爾獎預定?日本科學家發現新型碳材料

這一結果立即引起了加州大學伯克利分校化學家們的高度關注,并最終證明這就是一直以來化學家們夢寐以求的schwarzite碳結構。

研究人員使用已知的沸石結構對ZTC結構進行計算,并與瑞士拓撲數學家合作確定了結構類似的最小表面可用于制造schwarzites碳籠。結果表明,通過選擇合適的沸石可以調整schwarzites碳籠以優化其屬性。研究人員表示,在約200種沸石結構中只有15種可用作制造schwarzites碳籠的模板,而迄今為止只有三種ZTC結構成功制備出 schwarzite碳籠。

明年諾貝爾獎預定?日本科學家發現新型碳材料

基于理論研究,schwarzites碳籠表面應該會攜帶大量的電荷,使其成為性能出色的超級電容器材料;而較大的比表面積可使其用于催化石油和天然氣工業中的有機反應;較大的內部體積可以存儲多種原子和分子。化學家預測schwarzites碳籠將具有獨特的電子學、磁性和光學性質,可被用作超級電容器、電池電極和催化劑,并具有適用于氣體儲存和分離的大型內部空間。

schwarzites碳籠的出現是否預示著下一個諾貝爾化學獎的誕生?又是否會再次帶來一場材料學革命?讓我們拭目以待!

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