新形式碳材料問世,如橡膠般柔軟但比鉆石更硬

2020-09-18 08:42:45 48

   據納米技能與科學網2017年6月23日報道] 科學家們已經找到了一種通過在高壓下加熱使碳變得更堅挺和更有彈性的辦法。由中國和美國鉆研人員結合開發的這種“壓縮玻璃碳”質量輕,可大量消費(鉆研論文發表在《科學停頓》期刊上,“壓縮玻璃碳:超高彈性互穿石墨烯網絡”)。這意味著它可能適用于從防彈背心到新型電子設施的各種應用。碳是一種特殊的元素,因為它的原子可以造成不同類型的鍵,因此造成不同的構造。例如,完全由sp3鍵連貫的碳原子產生金剛石;完全由sp2鍵連貫的碳原子產生石墨,其也可以分別成稱為石墨烯的單層原子。另一種模式的碳,也稱為玻璃碳,也由sp2制成,具有石墨和陶瓷的性質。

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  但是新的壓縮玻璃碳同時具有sp3鍵和sp2鍵,這使它具有不尋常的特性。要制造原子彈,你須要一些額外的能量。當鉆研人員在高溫下將幾片石墨烯擠壓在一起時,發現某些碳原子正好位于兩層之間造成sp3鍵的地位。
 
  通過具體鉆研這些新材料,他們發現其中只要五分之一以上是sp3鍵。這意味著大多數原子依然排列成石墨烯構造,但是新的鍵使其看起來更像是一個大的互連網絡,并賦予其更大的強度。在單個石墨烯片的小尺度上,原子以有序的六邊形圖案排列。但是,在更大規模的狀況下,紙張以無序的方式排列。這可能是硬度和靈敏性的綜合性質。鉆研人員使用相對簡略的辦法,可以輕松、廉價地大規模復制壓縮玻璃碳。簡略來說,他們使用了一種機器對碳施加高負荷壓力。但這必需波及幾個技巧,以正確的方式控制壓力和溫度。這是一個耗時的過程,但其他人依然可以復制實現該結果。
 
  新的驚喜
 
  碳材料對我們來說是令人詫異的 - 鉆研的重點是在天然存在金剛石和石墨之間找到或制備新材料。這種新模式是最新的,似乎是一種無限的辦法,可以鍵合碳原子,從發現石墨烯,圓柱形碳納米管和球形C60分子。該材料 - 鞏固、堅挺、笨重和靈敏 - 將有很高的需求量,可用于各種應用。例如,軍事用途可能波及飛機和直升機的盾牌。在電子學方面,這種輕質、制造廉價、具有與硅類似性能的材料,也可以具有新的功能,可以提供一個抑制現有微芯片限制的途徑。人們的幻想是找到一種可以代替硅的碳材料。須要材料可以允許電子快速挪動,并且其電子可以容易地被置于激發態以實現晶體管的導通和截止功能。玻璃碳的鉆研人員并沒有在新材料中鉆研這些性質,所以我們還不理解它的適用性。但是,另一種碳材料被發現可能不會那么長。到目前為止,幾十年的搜查沒有呈現我們所須要的,但興許我們只須要深刻鉆研。(工業和信息化部電子第一鉆研所  張慧)


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