科学家提出元素碳的一种新结构

　　最近，中科院研究生院教授苏刚及其博士生胜献雷等人基于密度泛函第一性原理研究，设计提出了元素碳的一种新结构，该结构被命名为T型碳（T-carbon）。相关研究结果近日发表在国际著名期刊《物理评论快报》上。
　　碳是地球上组成生命的最基本元素之一，可以形成sp3、sp2和sp杂化化学键，具有很强的结合能力，可与其他元素结合成不计其数的无机和有机化合物，构成了丰富多彩的世界。在自然界，碳一般具有三种同素异形体石墨、金刚石和无定形碳。
　　苏刚等人提出，如果将立方金刚石结构中每个原子用一个碳的正四面体来替代，将会形成碳的一种新型三维立方晶体结构。他们基于密度泛函的第一性原理研究，发现这种结构在几何、能量以及动力学上都是稳定的，并命名该同素异形体为T-carbon。研究表明，T-carbon具有与金刚石相同的空间群，是一种具有直接带隙的半导体，带隙在3eV左右，并可通过掺杂来调控带隙大小以适用于光催化；其价电子形成了各向异性的sp3杂化键。T-carbon的维氏硬度为61.1GPa，与立方氮化硼的硬度相当，比金刚石的硬度小1/3左右，具有非常低的密度，仅为每立方厘米1.5克。与碳的其他同素异形体比较，T-carbon沿特定方向上的原子间距比较大，每个原子体积是金刚石的两倍多、石墨的1.5倍；其体弹性模量是金刚石的36%、石墨的57%；其原子间空隙较大，非常有利于做储能材料。由于上述独特的性能，T-carbon一旦实验上被获得，将会在光催化、吸附、储氢、航空航天材料等领域有潜在的广泛应用。进一步的研究显示，T-carbon也有可能在宇宙星际尘埃或太阳系外行星中被观察到。
　　该项工作得到了国家自然科学基金委和中科院的支持。