石墨烯已為人們帶來許多驚喜，但最近科學家在一次運用廉價原料的實驗，意外製成一種新的碳同素異形體，這個新成員除了像鑽石和石墨烯一樣帶有非凡的物理性能，更獨特的，是它似乎帶有純碳家族首次見到的特殊性質：鐵磁性。
11 月初舉辦的 ISCAN 2019 研討會，麻州大學洛厄爾分校（UMass Lowell）物理學家 Joel Therrien 首次發表團隊的發現。
這種新材料比不鏽鋼堅硬、具導電性、能和拋光鋁比擬的反射性，最令人驚訝的似乎還具有鐵磁性，在 125°C 溫度下會表現得像永久磁鐵，對純碳家族來說，這還是首次見到。
研究人員目前只用這種材料製作薄膜，並用電子顯微鏡和 X 光光譜儀研究，儘管還有更多表徵必須進行，但特性對未來輕型塗層、醫療產品和新型電子設備的研發都有十足潛力。
根據 Therrien 解釋，這項新發現實際上是一次「五環石墨烯」（pentagraphene）合成失敗後的意外產物。
這次嘗試中，Therrien 就像使用 CVD 製程石墨烯那樣，將催化劑（一片銅箔）放在 CVD 基座上並加熱到 800°C，但不同的是，他在反應氣體的選擇稍做改變：不使用常見的碳氫化合物，而選擇 2,2-二甲基丁烷（2,2-dimethylbutane）。
過去實驗的經驗讓 Therrien 認為，這項選擇能在過程中產生幾何受挫（geometrical frustration），進而形成五環石墨烯。然而就像過去許多嘗試，這項合成五環石墨烯的實驗最終還是失敗，但 Therrien 沒料到的是，原子確實安定在不同的結構裡。
2017 年 11 月，上完夜校課程返回實驗室後，Therrien 第一次看到研究結果，他盯著覆蓋在銅箔上像拋光金屬的東西呆愣了半小時，試圖理解究竟發生了什麼事。
花費 2 年使用其他支鏈己烷進行進一步實驗後，團隊現在已能一次又一次可靠地產生 1 微米厚、數公分寬的薄膜物質，同時也對此種新材料的特性有些初步了解。
電磁性為新材料帶來一系列在純碳未見過的性能，其中之一是極高的硬度，在使用鋼絲絨摩擦的測試中，表面並未受損，唯一能證實的是鑽石會留下刮痕。而在抗拉強度，雖然團隊還未實際測量，但從薄膜能以毫米大小的薄度保持在一起來看，Therrien 認為強度可能和某些金屬一樣堅固。
接著是鏡面的外觀，從研究小組的測量結果來看，即使只有 50 奈米厚，薄膜也能反射 90% 以上的入射光，波長範圍從遠紫外線到中紅外線，這種特性使它成為有用的反射塗層，比起常見的鋁更適用於照相機和望遠鏡的鏡面。
電導率僅略低於不鏽鋼，但這也可展現了新材料的其他電子屬性。透過緩慢加熱至 1,000°C 並退火處理，薄膜的光澤變暗，並轉變為類似非晶矽的帶隙半導體，使之成為太陽能電池的候選材料。
團隊還沒確定要如何稱呼這種神祕材料，研究合著者 Puru Jena 稱為「U-carbon」，意即不尋常的碳，Therrien 則以歷史上曾用來描述堅硬無比之物的「adamant」為啟發，稱為「adamantia」。
由於 adamantia 具發展潛力，在 Therrien 於 ISCAN 2019 發表後，許多研究者也同時表達了興奮與謹慎的態度。
奈米碳管（CNT）發現者、日本物理學家飯島澄男表示，目前的數據仍不足以說服他確實發現一種新的碳同素異形體，他希望團隊能對大型樣品進行 X 光晶體繞射分析（x-ray crystallography）來確定結構。
北京大學應用物理學家 Qian Wang 則指出，碳比錳、鎳、鐵等其他鐵磁元素要輕上許多，同時也對人體無毒，一但研究出版並證實能被他人複製，肯定會引起很多興趣。
「如果新材料可以具有磁性，對於製造生物感測器或藥物傳遞載體來說可能非常有用」。
adamantia 仍有許多特性留待探索，但除此之外，Therrien 認為這項研究也展現了幾何受挫的長期潛力，在他看來，這或許是合成碳和其他元素新型同素異形體的關鍵。
「即使它僅適用於碳，但可能存在成千上百種不同的同素異形體，也許可以使用這種方法打開更廣闊的大門。」
（首圖來源：shutterstock）
