发现一种称为长程有序多孔碳的新型碳

最著名的碳形式包括石墨和金刚石，但还有其他更奇特的碳纳米级同素异形体。这些包括石墨烯和富勒烯，它们是具有零(扁平形)或正(球形)曲率的sp2杂化碳。

同时，从理论上提出了具有负曲率的sp2杂化碳，称为“schwarzite”，它的发现一直是碳材料领域一些科学家的梦想。据了解，碳可以通过气相沉积被模板化到某些沸石的一些周期性孔隙中，但由于一些孔隙太窄，模板化是不完整的。这阻碍了通过模板化路线产生碳方晶石。

近日，韩国基础科学研究所(IBS)多维碳材料中心主任罗德尼·鲁夫(RodneyRuoff)和中国科学技术大学朱彦武教授带领的研究团队报告了一项发现一种新形式的碳。该研究发表在《自然》杂志上。

领导USCT团队的Zhu说：“Ruoff教授解释了他对数学家Schwartz描述的三重周期最小曲面的兴趣，以及三价键合的碳原则上如何在数学构造中产生相同的结构。这些现在被称为'碳黑石英'结构，也可称为'负曲率碳'。多年前我就告诉他，这是一个令人兴奋的研究课题，并且有可能找到合作方法来实现他的建议。”

这种新型碳是使用C60富勒烯(巴克明斯特富勒烯，也称为巴基球分子)粉末作为基础材料生产的。C60与α-Li3N(“α-氮化锂”)混合，然后加热至中等温度，同时保持在一个大气压下。据了解，α-Li3N催化了C60中部分碳-碳键的断裂，然后通过电子转移至C60分子与相邻的C60分子形成新的CC键。

Ruoff说：“在这项特别的工作中，朱教授和中国科学技术大学的团队使用了一种有效的电子转移剂(α-Li3N)，从结晶富勒烯开始，驱动新型碳的形成。”

朱教授和团队将他们的新碳命名为“长程有序多孔碳”(LOPC)。

LOPC由与长程周期性相连的“破碎的C60笼”组成。即，断裂的C60笼各自仍以面心立方晶格的晶格位为中心，但它们被一定程度“打开”，彼此形成键合。这是一种有点不寻常的情况——仍然存在某种类型的长程周期性秩序，但并不是每个破损的C60笼子都与其邻居相同。

发现LOPC的形成发生在窄温度和碳/Li3N比条件下。在碳和Li3N的比例为5:1的情况下加热至550摄氏度会导致巴基球部分破坏(部分CC键断裂)，从而导致在LOPC中发现断裂的C60笼结构。

480摄氏度或更低水平的Li3N不会损坏巴基球，而是结合在一起形成C60聚合物晶体。这种晶体在重新加热时分解回单个巴基球。同时，添加过多的Li3N或600摄氏度以上的更严酷温度会导致巴基球完全分解。

这种新碳通过多种方法进行了表征，并且(事实上)它的表征并不容易，因为各种略有不同的“破碎的C60笼”仍然保持其在标准面心立方晶格中的位置。X射线衍射、拉曼光谱、魔角旋转固态核磁共振光谱、像差校正透射电子显微镜和中子散射被用来推导对这种新型碳的结构的理解。基于神经网络式建模的数值模拟，结合上述实验方法，表明LOPC是一种在“富勒烯型”向“石墨烯型”转变过程中产生的亚稳态结构。

碳K边缘近边缘X射线吸收精细结构数据表明，LOPC中的电子离域程度高于C60。发现室温下的电导率为1.17×10-2 Scm-1，并且在低于30开尔文的温度下的传导似乎是短距离内的类金属传输与载流子跳跃间断的组合。了解这些电特性对于阐明这种新型碳的可能应用非常重要。

Ruoff指出，“虽然这种美丽的新型碳具有许多迷人的特征，但它不是碳黑石英，因此实验挑战仍然存在。事实上，这种碳是与众不同和独特的——它开辟了全新的可能性碳材料的新方向。”

LOPC的制备为发现从C60(s)开始的其他结晶碳铺平了道路——也许从其他富勒烯如C70、C76、C84等开始。其他令人兴奋的选择包括另一个元素。这可以通过从“内嵌”富勒烯开始来完成，例如M@C60，其中M可以是镧或许多其他元素，它被封装在全碳富勒烯笼内。

该团队看到了在能量收集、转换和储存方面的可能应用;催化生成化学产品;以及用于分子离子或气体的分离。他们在自然论文中还强调的一个重要方面是合成的可扩展性。朱指出，它很容易扩展到公斤级，并且通过连续的生产过程，有可能实现吨级生产。

“在合成取得初步成功并在他们的项目中取得初步成功后，Yanwu邀请我加入这项工作，幸运的是，我能够对正在进行的科学提出一些有用的建议，直到完成这项现已发表在《自然》上的研究。信用综合和动手实验研究完全归功于Yanwu和他的团队。我很高兴就某些主题提供一些建议，包括要进行的一些分析以及可以从中学到什么，”Ruoff说。

“与同事合作是从事科学研究的乐趣之一。这里的主题是一种新形式的碳，完全符合我领导的位于UNIST的CMCM中心的利益。所以，我开始与兴奋和渴望以有用的方式做出贡献。”