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。 據科技日報今天（24日）報導， 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。
T-碳是一種蓬鬆的碳材料， 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於7.7%。 蘇剛認為， T-碳將會在光催化、吸附、儲能、航空航太材料等領域擁有廣泛的應用前景。
圖片來自微信公眾號“科技日報”
1980年代以來， 科學家對獲得碳的新結構興趣濃厚， 並催生了兩次諾貝爾獎。 這不僅在化學、物理、材料和資訊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。
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）後它就像四隻手， 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。 “化學上， 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。 ”蘇剛說。
MWCNTs（多壁碳納米管）到T-碳納米線的結構轉變 圖片來自《自然·通訊》雜誌
(a) 切短MWCNTs的HRTEM圖(插圖分別為原始MWCNTs的結構和FFT花樣)， 尺規為20nm；
(b)鐳射照射產生的碳納米線的HRTEM圖(插圖為低倍顯微圖)， 尺規為5nm；
(c-d)分別為圖(b)中納米線(尺規5nm)和(c)另一條納米線(尺規2nm)所對應的FFT花樣；
(e)去除碳膜背景後， 圖(b)所對應的EELS能譜。
單根T-碳納米線的不同角度的FFT花樣和結構模型 圖片來自《自然·通訊》雜誌
(a-c)分別為(a)晶帶軸[2,1,1]、(b)晶帶軸在[3,1,0]和[5,1,0]之間且與a的夾角為27°，
(c)晶帶軸靠近[5,1,1]且與a的夾角為18°、與b的夾角10°的FFT花樣， 尺規5nm
(d)T-碳的結構模型(Fd3m， 晶格常數=7.80Å)
2011年， 蘇剛指導博士生勝獻雷等通過大量對比研究後提出， 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。
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埃或太陽系外行星中被觀測到。
對於發現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於推動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，通過皮秒鐳射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》上公佈。
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，通過皮秒鐳射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》上公佈。