下一個石墨烯?科學家發現純碳家族新成員,高反射且具磁性

作者 | 發布日期 2019 年 11 月 14 日 19:37 | 分類 尖端科技 , 材料 follow us in feedly


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)