image: 理论模拟提出的几种三维sp3碳结构。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
1.碳的无限可能
铅笔芯中的石墨和地壳中的钻石，虽“同根生”于碳元素，却因原子的杂化和排列方式不同而导致性质天差地别。科学家们早已不满足于这两种经典结构，他们试图通过设计碳基元的“乐高式”组装，创造出具有超硬、导电、多孔等特性的三维碳晶体。将不同杂化的碳在三维空间中组合，可产生许多性质迥异的新型碳材料，其中有的硬度超越钻石却轻如泡沫，有的拥有蜂巢状孔道可高效储氢，还有的能像金属般导电。
2.理论预测：构建碳的晶体基因库
随着计算材料学的发展，科学家们通过粒子群优化、遗传算法等工具，已预测出超过1600种三维碳结构。例如，T碳是通过将金刚石中的每个碳原子替换为碳四面体，形成的密度不到金刚石一半的轻质超硬材料（Phys Rev Lett 2011, 106, 155703）；而“碳施瓦茨体”（carbon schwarzite）是根据数学家Hermann Schwarz提出的三周期极小曲面构建出的负曲率蜂窝结构，具有狄拉克锥能带和超强吸附能力（Phys Rev B 2014, 90, 125434）。
该文章指出，虽然理论上可构建出无数三维结构，但实验上成功合成的非常有限。这种局面主要源于碳在热力学上倾向于形成石墨或金刚石，而其他结构多为亚稳态，需要更加精细的制备条件控制。
3.实验突破：多路径合成技术
1）模板辅助碳化：利用具有规则孔道的沸石作为模板，通过化学气相沉积制备出具有微孔结构的三维碳骨架。例如，镧系金属催化的沸石模板碳（ZTC）展现出类三维石墨烯周期结构，比表面积高达4100 m2/g（Nature 2016, 535, 131–135），被视为“碳施瓦茨体”的实验制备。
2）有机合成：通过设计含七、八元环的弯曲纳米碳片段，自下而上组装三维结构。这些成功合成的[8]圈烯和[7]圈烯衍生物，为构建负曲率碳晶体提供了关键“积木单元”。
3）高压处理：在数万大气压下，富勒烯C60分子能互相连接形成三维聚合物。将C70-碳管“豌豆荚”结构在60 GPa下压缩得到硬度达89 GPa的V碳（Phys Rev Lett 2017, 118, 245701），开辟了超硬材料制备的新路径。
4）电荷注入：正如朱的团队强调的那样，一些合成主要依靠电荷注入诱导的碳纳米结构的连接。他们将C60分子与氮化锂混合加热，碳笼间会形成共价键，首次实现了三维“长程有序多孔碳”（LOPC）的克量级制备（Nature 2023, 614, 95–101）。该方法可用于在常压下精确控制结构，从而制备更多的三维碳晶体。
4.未来材料的新曙光
三维碳晶体的潜在应用令人振奋：具有周期性孔道的结构可作为高效储氢材料，超硬碳晶体有望用于制造新一代切削工具，而碳基半导体可能颠覆传统电子器件设计。朱彦武教授认为，“我们正在解锁碳元素的形态库，就像用原子级乐高积木搭建功能各异的未来材料。” 随着计算模拟和实验技术的进步，三维碳晶体正从理论走向现实，这不仅拓展了碳材料的疆界，更预示着碳材料设计将进入“原子级定制”的新纪元。
中国科学技术大学博士研究生张延博为论文的第一作者，朱彦武教授为论文的通讯作者。该工作获得了科技部重大研究计划、国家自然科学基金等项目经费的支持。