碳原子是神奇的，既可構成世界最軟的礦物質石墨，也能構成自然界中最堅硬的物質金剛石。最近我國科學家又在碳原子研究上獲得突破：由中科院大學物理學院蘇剛教授等人通過理論計算預言的一種三維碳結構T-碳（T-carbon）誕生，中外科學家聯合研究團隊成功合成了T-碳，從而使T-碳成為可與石墨和金剛石比肩的碳的另一種三維新結構。

       11月23日，蘇剛在接受科技日報記者采訪時表示，T-碳是一種蓬松的碳材料，內部有很大的可利用空間，如果用作儲能材料，其儲氫能力重量百分比不低于7.7%。蘇剛認為，T-碳將會在光催化、吸附、儲能、航空航天材料等領域擁有廣泛的應用前景。

       1980年代以來，科學家對獲得碳的新結構興趣濃厚，并催生了兩次諾貝爾獎。這不僅在化學、物理、材料和信息科學等相關領域產生巨大影響，也催生了工業和技術上的大量應用。基于這些結構，科學家又合成了許多新的衍生物，并制成了新的功能器件和相關產品。

       碳原子有四個價電子，發生軌道雜化（原有一些能量較近的原子軌道重新組合成新的原子軌道）后它就像四只手，具有很強的與自身及其他元素相結合的能力。碳可以形成sp2雜化的石墨烯，形成sp3雜化的金剛石，還有sp-sp2雜化的石墨炔，sp-sp3雜化的金剛石炔?！盎瘜W上，碳可以與其他元素結合在一起，組成包括DNA、蛋白質和其他重要的生物大分子，從而使碳成為地球上組成生命的最基本的元素之一?！碧K剛說。

       2011年，蘇剛指導博士生勝獻雷等通過大量對比研究后提出，如果將立方金剛石中的每個碳原子用一個由四個碳原子組成的正四面體結構單元取代，將會形成碳的一種新型三維立方晶體結構。他們基于密度泛函的第一性原理研究，發現這種結構在幾何、能量以及動力學方面都是極其穩定的。他們把這種碳的新型同素異形體命名為T-carbon。研究表明，T-碳具有與金剛石相同的空間群，是一個具有直接帶隙的半導體，可通過摻雜來調控帶隙以適用于光催化。T-碳還有一個鮮明特點，密度非常小，約為石墨的2/3，金剛石的一半。

       蘇剛等人通過計算發現T-碳可能在負壓環境下更易形成。T-碳有可能在宇宙星際塵?；蛱栂低庑行侵斜挥^測到。

       對于發現T-碳的工作，業內專家給予高度評價，認為“T-碳開啟了碳結構研究的新紀元，將激發其他科學家進行廣泛的理論和實驗研究”。

       T-碳能否在實驗室合成？蘇剛近年來一直致力于推動T-碳的實驗合成工作。2017年年初，西安交通大學和新加坡南洋理工大學的聯合研究團隊，通過皮秒激光照射懸浮在甲醇溶液中的多壁碳納米管，在極端偏離熱力學平衡態的條件下，成功地實現了從sp2到sp3化學鍵的轉變，其形成的新型碳材料與理論預測的T-碳完全一致，證明合成了T-碳。有關合成T-碳的實驗結果前不久在《自然·通訊》上公布。

       結構決定性能這個基本的化學原理在碳素材料中得到了最神奇的體現，改變碳原子之間的連接方式就會得到性能迥然不同的材料。石墨是半金屬和柔軟的潤滑劑；金剛石不導電，是最硬的材料；碳納米管既可以是半導體，又可以是金屬，同時又是強度最高的纖維；與碳納米管相似，石墨烯集好幾項看似不相容的性能與一身，是載流子遷移率最高的半導體。從人工合成金剛石到碳納米管和石墨烯，碳科學一直保持在科學研究的前沿。

       在2011年，科學家通過計算預言了T-carbon的可能性，但是從來沒有人觀察到、能夠在實驗室合成。近日，西安交大電氣學院電力設備電氣絕緣國家重點實驗室新型儲能與能量轉換納米材料研究中心牛春明千人團隊張錦英研究小組在碳素材料研究過程中取得突破，合成了碳的又一個新型同素異形體，通過皮秒激光照射懸浮在甲醇溶液中的多壁碳納米管，在這種極端偏離熱力學平衡態的條件下，成功地實現了從sp2到sp3化學鍵的轉變，捕捉到了這種亞穩態結構。

       詳細的結構研究發現在瞬間飛秒激光照射下中空的碳納米管轉變為實心的碳納米棒，碳納米棒中碳原子之間的連接方式同理論預測的T-carbon完全一致，證明合成了這種結構。實驗的化學反應過程涉及氣、液和固態三相，反應機理有待進一步研究。

       該研究激光實驗操作由西安交大機械學院王文君研究團隊完成，電鏡工作由西安交大電信學院賈春林教授團隊完成，理論模擬工作由新加坡南洋理工大學蘇海濱研究團隊完成。相關成果以“Pseudo-topotactic conversion of carbon nanotubes to T-carbon nanowires in methanol under irradiation of picosecond laser” 為題發表在Nature Communications雜志（https://www.nature.com/articles/s41467-017-00817-9）。