又是一種新的碳固體

是一種奇蹟般的元素,它可以創造生命,還有鑽石、石墨、富勒烯、奈米管、石墨烯、石墨炔,等等。其中,我們最熟悉的石墨隨著科技的發展也成了一種日益重要的碳材料。

石墨的用途多種多樣,目前最蓬勃發展的應用之一就是用於製造鋰離子電池的陽極,這對電動汽車行業至關重要,比如,平均每輛特斯拉Model S需要54千克石墨。

隨著世界對石墨等碳基材料的需求增加,這類材料也會變得越來越難以獲取,許多科學家也因此開始探索製造碳的更多可能。

近日,一組研究團隊提出了一種新型碳固體,他們稱之為「非晶石墨」(amorphous graphite)。在發表於《物理評論快報》的論文中,研究人員介紹了非晶石墨的從頭合成。他們的研究正是從一個問題出發的:我們能用煤製造出石墨嗎?

高溫下的石墨化

在化學中,通過高溫熱處理,將無定形亂層結構的碳質材料,轉化為層狀的石墨結構的過程被稱為石墨化。團隊所追求的是Ab initio,可以理解為「從頭」,也就是說,他們希望找到一條從自然發生的碳質材料,到石墨的合成形式的新途徑。

在研究中,團隊通過從頭計算和機器學習的分子動力學模擬表明,純碳網路有一種明顯、甚至壓倒性的傾向,它在一個關鍵的密度和溫度窗口中,會轉換為層狀結構,即使是隨機的初始構型也會出現分層。

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層的形成過程。從1000個隨機選擇的初始配位開始,模型在3000K下退火,並在60×10⁻¹²秒後形成分層。視訊中綠色代表兩個配位的原子,藍色代表一個配位的原子,黃色代表三配位原子,紅色四配位原子。最後出現的層是無定形石墨烯的平面。(視訊/Ohio University)

他們發現了一種在3000開氏度的高溫下形成的分層材料,也就是非晶石墨。由於這種相在拓撲上是無序的,它與石墨本身有所區別。

非晶石墨包含1000個原子的模型中的一個平面。黃球代表碳原子。環的無序狀態在圖中體現了出來,其中五邊形、六邊形和七邊形並存。(圖/Ohio University)

如果仔細觀察單層平面,也就是非晶石墨烯,它們並不是那種構成理想石墨烯的完美六邊形的層。這種新材料中包含了大量的六邊形,但也有五邊形和七邊形

與石墨烯相比,這種環的無序降低了新材料的導電性,但在以六邊形為主導的區域,導電性仍然很高

團隊注意到層與層之間的空隙中形成的離域電子氣體,同時發現,平面間的內聚力部分是由於這種低密度的電子氣體的形成,也就是說,它可以讓這些層「粘」在一起。

從預測到實驗

這項研究提出了非晶石墨存在的證據,並描述了它的形成過程。目前,從一些實驗中,科學家已經懷疑在3000K左右出現了石墨化的跡象,但形成過程的細節和平面內的無序性尚不清楚。

研究人員希望,他們的發現能夠刺激更多實驗和研究,從而解決非晶石墨的存在問題。

從隨機的初始構型(灰色),經過熱處理後,在3000K的高溫下形成了非晶石墨(黃色)。(圖/Ohio University)

雖然這篇論文並沒有完全回答「我們能否用煤製造出石墨」這個問題,但它已經邁出了第一步。這個結果表明,碳有一種明顯的分層趨勢,但也存在許多「缺陷」,比如五碳環和七碳環,它們會很自然地融入網路中。

從微觀來看,碳還包含了很多有趣的基礎物理學,比如,碳的平面是如何結合在一起的,又為什麼會這樣。而所有這些都值得細細探索。

#創作團隊:

編譯:Gaviota

排版:雯雯

#參考來源:

https://www.ohio.edu/news/2022/06/can-they-make-graphite-coal-ohio-researchers-start-finding-new-carbon-solid

#圖片來源:

封面圖&首圖:Ohio University

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