我校材料科學(xué)與工程學(xué)院（籌）、物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院、光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及納米技術(shù)研究中心的楊國(guó)偉教授研究組，在10月30日出版的Science子刊Science Advances發(fā)表他們?cè)谔疾牧涎芯恐腥〉玫闹卮笸黄啤?br />        碳是自然界一種很常見(jiàn)卻很重要的元素，它以多種形式存在于地球和宇宙空間，是已知的所有生命（動(dòng)物和植物）系統(tǒng)都不可或缺的，而碳材料已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)的許多領(lǐng)域。在科學(xué)上，如果以碳原子存在的形式來(lái)對(duì)碳進(jìn)行分類的話，那么自然界應(yīng)該存在三種碳。第一種是以三維SP3雜化結(jié)構(gòu)碳原子構(gòu)成的金剛石以及基于SP3雜化的Lonsdaleite和C8等金剛石的同素異構(gòu)體；第二種是以二維SP2雜化結(jié)構(gòu)碳原子構(gòu)成的石墨以及基于SP2雜化的富勒烯、碳納米管和石墨烯等石墨的同素異構(gòu)體。眾所周知，這兩種碳及相應(yīng)的同素異構(gòu)體如金剛石、石墨、富勒烯、碳納米管、石墨烯等的研究不僅對(duì)人類的科學(xué)認(rèn)識(shí)產(chǎn)生了重要影響，而且極大地推動(dòng)了技術(shù)的進(jìn)步。然而，自然界還應(yīng)該存在第三種碳，即由一維SP雜化結(jié)構(gòu)碳原子構(gòu)成的Carbyne。所謂一維SP雜化結(jié)構(gòu)就是指由碳原子構(gòu)成的線型鏈狀結(jié)構(gòu)，其中碳原子之間分別以碳碳單鍵和碳碳三鍵相連。上世紀(jì)60年代，科學(xué)家在來(lái)自宇宙塵埃的光譜中撲捉到碳碳單鍵和碳碳三鍵存在的信息，認(rèn)為存在除了三維SP3雜化和二維SP2雜化碳以外，還應(yīng)該存在一維SP雜化結(jié)構(gòu)；進(jìn)而在墜入地球的一塊隕石中發(fā)現(xiàn)一種呈白色粉末狀的不同于金剛石和石墨的新六方碳相，并由此而推測(cè)這應(yīng)該就是第三種碳Carbyne。這一發(fā)現(xiàn)激起了人們對(duì)新碳材料研究的極大熱情，自此，來(lái)自物理、化學(xué)和材料等領(lǐng)域的科學(xué)家開(kāi)始探索在實(shí)驗(yàn)室合成Carbyne。同時(shí)，理論物理和化學(xué)家預(yù)言了Carbyne在物理和化學(xué)上有著許多奇異的性質(zhì)，并使得它在諸多領(lǐng)域都會(huì)像富勒烯和石墨烯等同素異構(gòu)體一樣有著重要應(yīng)用。但是，盡管科學(xué)家們嘗試了無(wú)數(shù)的物理制備和化學(xué)合成，然而到目前為止，還沒(méi)有任何令人信服的實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明人們能夠在實(shí)驗(yàn)室合成Carbyne。難道Carbyne只是一個(gè)碳的傳說(shuō)（Myth）嗎？這種猜測(cè)成了碳科學(xué)研究者腦海里揮之不去的疑云。
       最近，我校楊國(guó)偉教授研究組在Science子刊Science Advances發(fā)表論文宣布了他們?cè)趪?guó)際上第一次合成了Carbyne及其凝聚相Carbyne晶體 （Science Advances 1 (2015) e1500857）。Carbyne是碳的一種亞穩(wěn)相，它的熱力學(xué)穩(wěn)定區(qū)處于高溫和高壓狀態(tài)，并且其獨(dú)特的線型碳碳單鍵和碳碳三鍵分子鏈的形成對(duì)所用合成碳源有特殊要求，這些苛刻的要求也許就是Carbyne在實(shí)驗(yàn)室無(wú)法合成的主要原因。近年來(lái)，楊國(guó)偉教授研究組發(fā)展了一種獨(dú)特的制備亞穩(wěn)相納米結(jié)構(gòu)的方法即LAL（laser ablation in liquid, LAL），并且采用LAL制備了一大批新型亞穩(wěn)納米材料和納米結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在，他們將LAL應(yīng)用于Carbyne的合成研究。通過(guò)選擇合適的液體環(huán)境和固體靶材料，他們巧妙地利用貴金屬高溫脫氫反應(yīng)和LAL所提供的高溫高壓熱力學(xué)環(huán)境，在液相中實(shí)現(xiàn)了Carbyne分子的成核與生長(zhǎng)，合成出了Carbyne晶體，一種白色粉末晶體。重要的是，他們首次給出了Carbyne晶體的包括完整的Raman譜在內(nèi)的各種特征譜和完美的晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，這些重要的原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在Carbyne的研究上是第一次被提供。所以，這些令人信服的實(shí)驗(yàn)事實(shí)充分表明：除了金剛石和石墨以外，第三種碳Carbyne，這個(gè)曾經(jīng)的“碳傳說(shuō)”（Carbyne Myth），現(xiàn)在已經(jīng)可以在實(shí)驗(yàn)室合成了。顯然，這一成果堪稱碳研究的重大突破。Carbyne目前沒(méi)有相應(yīng)的中文術(shù)語(yǔ)，根據(jù)它的研究歷史，我們稱Carbyne的中文譯名為“白碳”。這樣的話，自然界的三種碳就是：三維SP3雜化結(jié)構(gòu)碳原子構(gòu)成的金剛石、二維SP2雜化結(jié)構(gòu)碳原子構(gòu)成的石墨和一維SP雜化結(jié)構(gòu)碳原子構(gòu)成的白碳。
       正如它的富勒烯、碳納米管和石墨烯等同素異構(gòu)體一樣，白碳被科學(xué)家們寄予厚望，認(rèn)為它將在室溫超導(dǎo)、超高強(qiáng)度材料、最細(xì)碳納米結(jié)構(gòu)等等領(lǐng)域產(chǎn)生重大的技術(shù)突破。顯然，楊國(guó)偉教授研究組合成的白碳為其進(jìn)一步的應(yīng)用研究提供了重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。同時(shí)，他們最新的研究發(fā)現(xiàn)：白碳具有本征的發(fā)光覆蓋了從紫外到紅外的整個(gè)光譜，而且由于它的晶體結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性導(dǎo)致了其本征的順磁性。眾所周知，除了金剛石以外，碳材料基本上是不發(fā)光的，也沒(méi)有本征磁性。所以，不像它們?cè)谖㈦娮訉W(xué)領(lǐng)域大放異彩，其在光電子學(xué)和磁學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用十分有限。顯然，白碳的發(fā)光和磁性將會(huì)極大地推動(dòng)碳光電子學(xué)和碳磁學(xué)的發(fā)展，進(jìn)而在全碳光電子器件和碳基磁性器件等應(yīng)用中產(chǎn)生重要作用。所以，白碳的合成必將迎來(lái)一個(gè)碳科學(xué)和技術(shù)的新時(shí)代。
       本研究是楊國(guó)偉教授研究組在中山大學(xué)獨(dú)立完成的，得到國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃重點(diǎn)支持項(xiàng)目和光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的大力資助。