新形式碳元素再创惊喜硬度或超金刚石

碳元素再次为人们带来了惊喜。据《MIT技术评论》杂志网站8月16日报道,美国莱斯大学的科学家日前通过计算发现,一种新形式的碳具有极高的强度和硬度,甚至超过了久负盛名的石墨烯和钻石。相关论文已经发表在著名的科学论文预印本网站上。

碳是地球上分布范围很广的一种元素,以多种不同形式存在着。最早我们知道有碳、石墨和金刚石,后又相继加入了巴基球、碳纳米管和石墨烯。这种新材料被称为碳炔,也是碳的一种同素异形体,其身世颇为神秘。

天文学家一直认为他们曾在太空中发现过碳炔的信号,化学家则为是否能在地球上合成这种材料争辩了几十年。直到几年前,有人合成出了44个原子长的碳炔链,才让这一切归于平静。即便如此,科学家们还是普遍认为碳炔极不稳定,甚至有些化学家坚称,两条碳炔链一旦接触就会发生爆炸。然而,出身碳族“名门”的碳炔仍然让不少科学家为之着迷,因为人们猜测它一定与其碳族兄弟姐妹一样具有极高的强度和硬度。但到底有多强多硬却一直没有人能给出准确答案。

这正是此次研究的主题。美国莱斯大学的研究人员刘明杰(音译)和他的团队通过计算揭开了这一谜题。虽然早有准备,但研究结果仍然让他们大吃了一惊。研究发现碳炔的硬度比目前已知最硬的材料还要大。碳纳米管和石墨烯的硬度为4.5×108牛顿米/千克,而碳炔则能达到109牛顿米/千克。

令人印象深刻的还有碳炔的强度。该材料具有无与伦比的强度,需要施加10纳米牛(nano Newtons)的外力才能破坏其单链结构。如果转化为强度,可达6.0至7.5×107牛顿米/千克,超过了石墨烯的4.7至5.5×107牛顿米每/克,碳纳米管的4.3至5.0×107牛顿米/千克和金刚石的2.5至6.5×107牛顿米/千克。

此外,碳炔还有一些有趣的性能。其柔韧性与聚合物和双链DNA相似。当发生扭曲时,其整个结构可以自由旋转,强度取决于末端化学组的牢固程度。而最有趣的或许是其稳定性。如前所言,新研究发现,当两组碳炔链接触时的确会发生反应,但存在一个激活屏障,能够很容易防止这种情况的发生。

研究人员称,新研究再次刷新了科学家们的想象力,借助碳炔的神奇性能,将制造出更多更强大的纳米设备。随着技术的逐渐进步,或许很快我们就能让碳炔非凡的机械性能在现实中获得应用。 (科技日报)