新型金属材料的设计

成果简介

三维金属碳：从古老的石墨、金刚石到当下纳米科学技术的明星材料富勒烯、碳纳米管和石墨烯，碳由于其独特的物理和化学性质一直备受科学家关注。1996年的诺贝尔化学奖授予给了发现C60的科学家；2010的诺贝尔物理学奖授予给了研究石墨烯的科学家。寻求能够在常温常压条件下稳定存在并且具有金属特性的三维形式的碳，一直是科学家们面临的挑战。

金属碳是当前碳材料研究的热点之一：一维碳纳米管的金属性依赖于其手征性且实验中难以实现可控生长和分离；二维的石墨烯因其费米面处的电子态密度为零表现出半金属性；三维的金刚石是半导体。此前日本科学家提出的K4结构和英国科学家提出的简单立方结构的金属碳都被证实无法在常温常压下稳定存在。设计与合成稳定的三维金属碳材料是科学家们的夙愿。

科学思想：基于苯环的碳纳米管生长

金属性来源于价电子的非局域化，而材料中电子的分布取决于原子之间的相互作用，而后者又取决于原子间的排列方式即几何结构。因此，该工作的指导思想是设计新颖而稳定的几何结构来实现电子离域化。

传统的材料设计基于道尔顿的原子论，以原子作为材料的基本单元。现代材料设计以原子的聚集体（超原子、团簇、纳米结构等）作为基本单元。实验上人们已使用碳六元环作为基本单元直接合成了碳纳米管。