前沿科技之美模擬發(fā)現(xiàn)三種穩(wěn)定存在碳結(jié)構(gòu)

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據(jù)美國(guó)物理學(xué)家組織網(wǎng)6月9日?qǐng)?bào)道,，美國(guó)紐約州立大學(xué)石溪分校的科學(xué)家通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)了3種可穩(wěn)定存在的新型碳結(jié)構(gòu)。這些材料的密度超過(guò)現(xiàn)有三維材料中密度最大的鉆石,，具有獨(dú)特的電子和光學(xué)性能,，如能成功合成，將成為材料學(xué)領(lǐng)域的一大突破,。相關(guān)論文6月7日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)B》雜志網(wǎng)絡(luò)版上,。
$ G* n9 l4 y  _3 @碳是地球上最常見(jiàn)的一種元素，但其原子的不同組合和結(jié)構(gòu)方式卻造就了多種“身懷絕技”的同素異形體：從柔軟的石墨到超硬的鉆石,，從具有完美結(jié)構(gòu)的富勒烯到超級(jí)材料碳納米管,。幾乎每一種對(duì)碳結(jié)構(gòu)的修改都導(dǎo)致了新的技術(shù)革命，與碳結(jié)構(gòu)相關(guān)的研究在15年內(nèi)被授予了兩次諾貝爾獎(jiǎng)(有關(guān)富勒烯的研究1996年被授予諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng),，有關(guān)石墨烯的研究2010年被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng))。

4 h8 D- h) I4 j為了探討是否存在比鉆石密度更大的碳結(jié)構(gòu),，研究人員朱強(qiáng)(音)和地質(zhì)與物理學(xué)教授阿特穆斯・歐甘納夫在不同的溫度和壓力下對(duì)碳原子的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了模擬,。結(jié)果發(fā)現(xiàn)了3種可能存在的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，它們分別被命名為hP3,、tI12和tP12,。
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" r) M/ V- n- |0 w) d, k7 t模擬結(jié)果顯示，這3種結(jié)構(gòu)的硬度雖然都未超過(guò)鉆石,，但它們的密度卻分別比鉆石高出1.1%到3.2%,，而更高的密度則意味著更好的導(dǎo)電性能和更優(yōu)異的色散性和折射率,，這將使其比鉆石更加光彩奪目。

+ ?! F" ^, ]* F" ]0 w/ N研究人員通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn),，3種材料的帶隙從3.0伏特到7.3伏特各不相同,。帶隙是半導(dǎo)體或絕緣體的價(jià)帶頂端至傳導(dǎo)帶底端的能量差距，是材料電子結(jié)構(gòu)的一項(xiàng)重要特征,。其中tP12具有目前碳同素異形體中最大的帶隙,，電流在上面運(yùn)行時(shí)將幾乎毫無(wú)阻力，這使其有望成為超導(dǎo)體和新型電子工程材料的有力候選人,。
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其他有趣的特性包括超低壓縮性,。當(dāng)受到壓力時(shí)，新結(jié)構(gòu)耐壓性能比目前絕大多數(shù)材料都要好,，甚至比目前的紀(jì)錄保持者鉆石還要稍勝一籌,。
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研究人員稱，在合成上目前雖然還沒(méi)有什么明確的路徑,，但在高溫高壓下對(duì)石墨或無(wú)定形碳(碳同素異形體的一大類,，沒(méi)有特定的原子晶體結(jié)構(gòu))進(jìn)行擠壓或許能得到一小部分這種新材料。
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歐甘納夫說(shuō),，碳在結(jié)構(gòu)上的變化使其在物理上具有無(wú)窮無(wú)盡的應(yīng)用價(jià)值,，如果這些預(yù)測(cè)的材料得以成功合成，將是材料學(xué)的一大突破,，也將為計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域帶來(lái)新的變革,。

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