下一个石墨烯?科学家发现纯碳家族新成员,高反射且具磁性[CSIA]
 
 
下一个石墨烯?科学家发现纯碳家族新成员,高反射且具磁性
更新时间:2019/11/18 12:09:55  
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石墨烯已为人们带来许多惊喜,但最近科学家在一次运用廉价原料的实验,意外制成一种新的碳同素异形体,这个新成员除了像钻石和石墨烯一样带有非凡的物理性能,更独特的,是它似乎带有纯碳家族首次见到的特殊性质:铁磁性。
  
  11月初举办的ISCAN2019研讨会,麻州大学洛厄尔分校(UMassLowell)物理学家JoelTherrien首次发表团队的发现。
  
  这种新材料比不锈钢坚硬、具导电性、能和抛光铝比拟的反射性,最令人惊讶的似乎还具有铁磁性,在125°C温度下会表现得像永久磁铁,对纯碳家族来说,这还是首次见到。
  
  研究人员目前只用这种材料制作薄膜,并用电子显微镜和X光光谱仪研究,尽管还有更多表征必须进行,但特性对未来轻型涂层、医疗产品和新型电子设备的研发都有十足潜力。
  
  根据Therrien解释,这项新发现实际上是一次「五环石墨烯」(pentagraphene)合成失败后的意外产物。
  
  这次尝试中,Therrien就像使用CVD制程石墨烯那样,将催化剂(一片铜箔)放在CVD基座上并加热到800°C,但不同的是,他在反应气体的选择稍做改变:不使用常见的碳氢化合物,而选择2,2-二甲基丁烷(2,2-dimethylbutane)。
  
  过去实验的经验让Therrien认为,这项选择能在过程中产生几何受挫(geometricalfrustration),进而形成五环石墨烯。然而就像过去许多尝试,这项合成五环石墨烯的实验最终还是失败,但Therrien没料到的是,原子确实安定在不同的结构里。
  
  2017年11月,上完夜校课程返回实验室后,Therrien第一次看到研究结果,他盯着覆盖在铜箔上像抛光金属的东西呆愣了半小时,试图理解究竟发生了什么事。
  
  花费2年使用其他支链己烷进行进一步实验后,团队现在已能一次又一次可靠地产生1微米厚、数公分宽的薄膜物质,同时也对此种新材料的特性有些初步了解。
  
  电磁性为新材料带来一系列在纯碳未见过的性能,其中之一是极高的硬度,在使用钢丝绒摩擦的测试中,表面并未受损,唯一能证实的是钻石会留下刮痕。而在抗拉强度,虽然团队还未实际测量,但从薄膜能以毫米大小的薄度保持在一起来看,Therrien认为强度可能和某些金属一样坚固。
  
  接着是镜面的外观,从研究小组的测量结果来看,即使只有50奈米厚,薄膜也能反射90%以上的入射光,波长范围从远紫外线到中红外线,这种特性使它成为有用的反射涂层,比起常见的铝更适用于照相机和望远镜的镜面。
  
  电导率仅略低于不锈钢,但这也可展现了新材料的其他电子属性。透过缓慢加热至1,000°C并退火处理,薄膜的光泽变暗,并转变为类似非晶硅的带隙半导体,使之成为太阳能电池的候选材料。
  
  团队还没确定要如何称呼这种神祕材料,研究合著者PuruJena称为「U-carbon」,意即不寻常的碳,Therrien则以历史上曾用来描述坚硬无比之物的「adamant」为启发,称为「adamantia」。
  
  由于adamantia具发展潜力,在Therrien于ISCAN2019发表后,许多研究者也同时表达了兴奋与谨慎的态度。
  
  奈米碳管(CNT)发现者、日本物理学家饭岛澄男表示,目前的数据仍不足以说服他确实发现一种新的碳同素异形体,他希望团队能对大型样品进行X光晶体绕射分析(x-raycrystallography)来确定结构。
  
  北京大学应用物理学家QianWang则指出,碳比锰、镍、铁等其他铁磁元素要轻上许多,同时也对人体无毒,一但研究出版并证实能被他人复制,肯定会引起很多兴趣。
  
  「如果新材料可以具有磁性,对于制造生物传感器或药物传递载体来说可能非常有用」。
  
  adamantia仍有许多特性留待探索,但除此之外,Therrien认为这项研究也展现了几何受挫的长期潜力,在他看来,这或许是合成碳和其他元素新型同素异形体的关键。
  
  「即使它仅适用于碳,但可能存在成千上百种不同的同素异形体,也许可以使用这种方法打开更广阔的大门。
 
来源:TechNews        
 
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