下一代 “神奇材料”-石墨炔首次被創造出來

十多年來，科學家們一直試圖合成一種名為“石墨炔”的新形式的碳，但成效有限。不過由於科羅拉多大學博爾德分校的新研究，這種情況現在已經結束了。

長期以來，石墨炔一直受到科學家們的關注，因為它跟“神奇材料”石墨烯相似，後者是另一種碳的形式，受到工業界的高度重視，其研究甚至在2010年獲得了諾貝爾物理獎。然而，儘管經過幾十年的工作和理論研究，在此之前只有少數碎片被創造出來。

於5月9日發表在《Nature Synthesis》上的研究論文填補了碳材料科學的一個長期空白並有可能為電子學、光學和半導體材料研究帶來全新的可能性。

論文第一作者Yiming Hu説道：“整個聽眾，整個領域都非常興奮，這個長期存在的問題或者説這種想象的材料終於得到了實現。”

科學家們長期以來一直對構建新的或新穎的碳同位素或碳的形式感興趣，因為碳在工業上非常有用且具有多功能性。

根據如何利用碳的混合體（表示為sp2、sp3和sp雜化碳（或碳原子跟其他元素結合的不同方式）及其相應的鍵可以有不同的方式構建碳同位素。最知名的碳異構體是石墨（用於鉛筆和電池等工具）和鑽石，它們分別由sp2碳和sp3碳創造出來。

通過使用傳統的化學方法，科學家們已經成功地創造了各種同位素，包括富勒烯和石墨烯。

然而，這些方法並不允許將不同類型的碳以任何形式的大容量合成在一起，就像石墨烯所需要的那樣，這使得這種理論上的材料--據推測具有獨特的電子傳導、機械和光學特性--仍只是一種理論。

但也正是這種對非傳統材料的需求導致該領域的人向Zhang的實驗室小組伸出援手。

Zhang是中大博爾德分校的化學教授，他研究的是可逆化學，也就是允許紐帶自我修正的化學並允許創造新的有序結構或格子如合成DNA一樣的聚合物。

在被接觸後，Zhang和他的實驗室小組決定試一試。

創造石墨烯是一個“真正的老問題，由於合成工具有限，人們的興趣下降了，”曾是Zhang的實驗室小組的博士生的Hu評論道，“我們再次把這個問題拿出來，用一個新的工具來解決一個真正重要的老問題。”

通過利用一種被稱為炔烴換位反應的過程--這是一種有機反應，需要重新分配，或切割和重組烷基化學鍵--以及熱力學和動力學控制，該小組得以成功創造出以前從未創造過的東西。一種可以跟石墨烯的導電性能相媲美的材料--但具有控制性。

“（石墨烯和石墨炔之間）有一個相當大的區別，但以一種好的方式，這可能是下一代的神奇材料。這就是為什麼人們非常興奮，”Zhang説道。

雖然這種材料已經被成功創建，但該團隊仍希望研究它的具體細節，其中包括如何大規模創建這種材料以及如何操縱它。

“我們確實在努力從多個維度探索這種新型材料，包括實驗和理論，從原子級到真正的設備，”Zhang在談到下一步的計劃時説道。

這些努力反過來應該有助於弄清這種材料的電子傳導和光學特性如何能用於鋰離子電池等工業應用。

“我們希望在未來我們能降低成本並簡化反應過程，然後，希望人們能真正從我們的研究中受益，”Hu説道。

在Zhang看來，如果沒有一個跨學科團隊的支持，這樣的研究永遠不可能完成。