又是一种新的碳固体
又是一种新的碳固体Original Gaviota
原理 2022-06-14 05:31 Posted on 浙江
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碳是一种奇迹般的元素，它可以创造生命，还有钻石、石墨、富勒烯、纳米管、石墨烯、石墨炔，等等。其中，我们最熟悉的石墨随着科技的发展也成了一种日益重要的碳材料。
石墨的用途多种多样，目前最蓬勃发展的应用之一就是用于制造锂离子电池的阳极，这对电动汽车行业至关重要，比如，平均每辆特斯拉Model S需要54千克石墨。
随着世界对石墨等碳基材料的需求增加，这类材料也会变得越来越难以获取，许多科学家也因此开始探索制造碳的更多可能。
近日，一组研究团队提出了一种新型碳固体，他们称之为“非晶石墨”（amorphous graphite）。在发表于《物理评论快报》的论文中，研究人员介绍了非晶石墨的从头合成。他们的研究正是从一个问题出发的：我们能用煤制造出石墨吗？
高温下的石墨化
在化学中，通过高温热处理，将无定形乱层结构的碳质材料，转化为层状的石墨结构的过程被称为石墨化。团队所追求的是Ab initio，可以理解为“从头”，也就是说，他们希望找到一条从自然发生的碳质材料，到石墨的合成形式的新途径。
在研究中，团队通过从头计算和机器学习的分子动力学模拟表明，纯碳网络有一种明显、甚至压倒性的倾向，它在一个关键的密度和温度窗口中，会转换为层状结构，即使是随机的初始构型也会出现分层。
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层的形成过程。从1000个随机选择的初始配位开始，模型在3000K下退火，并在60×10⁻¹²秒后形成分层。视频中绿色代表两个配位的原子，蓝色代表一个配位的原子，黄色代表三配位原子，红色四配位原子。最后出现的层是无定形石墨烯的平面。（视频／Ohio University）
他们发现了一种在约3000开氏度的高温下形成的分层材料，也就是非晶石墨。由于这种相在拓扑上是无序的，它与石墨本身有所区别。
https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_jpg/tqOuxs8dsHOtlwwOMDqIcicNfcqlBcNXtCicQDH5ryy9IhEIW0upx3zpgtgUz7F5OIp9qBPNOhahZNEWmjZtIPrQ/640?wx_fmt=jpeg非晶石墨包含1000个原子的模型中的一个平面。黄球代表碳原子。环的无序状态在图中体现了出来，其中五边形、六边形和七边形并存。（图／Ohio University）
如果仔细观察单层平面，也就是非晶石墨烯，它们并不是那种构成理想石墨烯的完美六边形的层。这种新材料中包含了大量的六边形，但也有五边形和七边形。
与石墨烯相比，这种环的无序降低了新材料的导电性，但在以六边形为主导的区域，导电性仍然很高。
团队注意到层与层之间的空隙中形成的离域电子气体，同时发现，平面间的内聚力部分是由于这种低密度的电子气体的形成，也就是说，它可以让这些层“粘”在一起。
从预测到实验
这项研究提出了非晶石墨存在的证据，并描述了它的形成过程。目前，从一些实验中，科学家已经怀疑在3000K左右出现了石墨化的迹象，但形成过程的细节和平面内的无序性尚不清楚。
研究人员希望，他们的发现能够刺激更多实验和研究，从而解决非晶石墨的存在问题。https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_jpg/tqOuxs8dsHOtlwwOMDqIcicNfcqlBcNXtwXJIJ21gs3yTib31yWdoibqQw8W66IqVXwUtnFYE6J8NfibeFW7eZj10w/640?wx_fmt=jpeg从随机的初始构型（灰色），经过热处理后，在3000K的高温下形成了非晶石墨（黄色）。（图／Ohio University）
虽然这篇论文并没有完全回答“我们能否用煤制造出石墨”这个问题，但它已经迈出了第一步。这个结果表明，碳有一种明显的分层趋势，但也存在许多“缺陷”，比如五碳环和七碳环，它们会很自然地融入网络中。
从微观来看，碳还包含了很多有趣的基础物理学，比如，碳的平面是如何结合在一起的，又为什么会这样。而所有这些都值得细细探索。
#创作团队：
编译：Gaviota排版：雯雯
#参考来源：
https://www.ohio.edu/news/2022/06/can-they-make-graphite-coal-ohio-researchers-start-finding-new-carbon-solid#图片来源：
封面图&首图：Ohio University
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