科学家提出元素碳的一种新结构

最近，中科院研究生院教授苏刚及其博士生胜献雷团队取得了重大突破。他们基于密度泛函第一性原理研究，成功设计了一种全新的元素碳结构，被命名为T型碳（T-carbon）。这项成果已在国际知名期刊《物理评论快报》上发表。

碳，作为地球上构成生命的基本元素之一，以其强大的结合能力，可以形成多种杂化化学键，与其他元素结合形成无数无机和有机化合物，构建了我们丰富多彩的世界。在自然界中，碳的同素异形体主要有石墨、金刚石和无定形碳三种。

苏刚团队提出一种全新的理念：如果以立方金刚石结构中的每个原子替换为碳的正四面体，将会形成碳的一种新型三维立方晶体结构。经过基于密度泛函的第一性原理研究，他们发现这种结构在几何、能量及动力学上均表现稳定。于是，他们将其命名为T-carbon。

T-carbon的研究表明，其拥有与金刚石相同的空间群，是一种具有直接带隙的半导体。其带隙大约在3eV左右，可通过掺杂来调整带隙大小，以适应光催化。其价电子形成的sp3杂化键具有各向异性。T-carbon的维氏硬度高达61.1GPa，与立方氮化硼相当，比金刚石硬度小约三分之一。而其密度极低，每立方厘米仅重1.5克。

与其他碳的同素异形体相比，T-carbon在特定方向上的原子间距较大，每个原子体积是金刚石的两倍多、石墨的1.5倍。其体弹性模量较低，但原子间空隙较大，非常适合作为储能材料。这些独特的性能使T-carbon在光催化、吸附、储氢以及航空航天材料等领域具有广泛的应用前景。更有猜测认为，T-carbon可能在宇宙星际尘埃或太阳系外行星中被发现。

这项开创性的研究得到了国家自然科学基金委和中科院的鼎力支持。苏刚团队的工作无疑为我们揭示了碳元素的全新面貌，并为未来的科学研究开辟了新的道路。