新形式碳元素再創驚喜硬度或超金剛石

碳元素再次為人們帶來了驚喜。據《MIT技術評論》雜志網站8月16日報道,美國萊斯大學的科學家日前通過計算發現,一種新形式的碳具有極高的強度和硬度,甚至超過了久負盛名的石墨烯和鉆石。相關論文已經發表在著名的科學論文預印本網站上。

碳是地球上分布范圍很廣的一種元素,以多種不同形式存在著。最早我們知道有碳、石墨和金剛石,后又相繼加入了巴基球、碳納米管和石墨烯。這種新材料被稱為碳炔,也是碳的一種同素異形體,其身世頗為神秘。

天文學家一直認為他們曾在太空中發現過碳炔的信號,化學家則為是否能在地球上合成這種材料爭辯了幾十年。直到幾年前,有人合成出了44個原子長的碳炔鏈,才讓這一切歸于平靜。即便如此,科學家們還是普遍認為碳炔極不穩定,甚至有些化學家堅稱,兩條碳炔鏈一旦接觸就會發生爆炸。然而,出身碳族“名門”的碳炔仍然讓不少科學家為之著迷,因為人們猜測它一定與其碳族兄弟姐妹一樣具有極高的強度和硬度。但到底有多強多硬卻一直沒有人能給出準確答案。

這正是此次研究的主題。美國萊斯大學的研究人員劉明杰(音譯)和他的團隊通過計算揭開了這一謎題。雖然早有準備,但研究結果仍然讓他們大吃了一驚。研究發現碳炔的硬度比目前已知最硬的材料還要大。碳納米管和石墨烯的硬度為4.5×108牛頓米/千克,而碳炔則能達到109牛頓米/千克。

令人印象深刻的還有碳炔的強度。該材料具有無與倫比的強度,需要施加10納米牛(nano Newtons)的外力才能破壞其單鏈結構。如果轉化為強度,可達6.0至7.5×107牛頓米/千克,超過了石墨烯的4.7至5.5×107牛頓米每/克,碳納米管的4.3至5.0×107牛頓米/千克和金剛石的2.5至6.5×107牛頓米/千克。

此外,碳炔還有一些有趣的性能。其柔韌性與聚合物和雙鏈DNA相似。當發生扭曲時,其整個結構可以自由旋轉,強度取決于末端化學組的牢固程度。而最有趣的或許是其穩定性。如前所言,新研究發現,當兩組碳炔鏈接觸時的確會發生反應,但存在一個激活屏障,能夠很容易防止這種情況的發生。

研究人員稱,新研究再次刷新了科學家們的想象力,借助碳炔的神奇性能,將制造出更多更強大的納米設備。隨著技術的逐漸進步,或許很快我們就能讓碳炔非凡的機械性能在現實中獲得應用。 (科技日報)