神秘的碳——日本科学家成功制备负曲率碳材料

继碳纳米管与石墨烯诞生以来，近日日本科学家成功制备出了负曲率表面的碳材料——Schwarzites碳笼。这一成果立即引发了科学界的高度关注…

碳，是一种极为常见的化学元素，却充满神秘和未知的色彩。坚硬无比的金刚石和质软滑腻的石墨是碳家族最出名的碳三维晶体；20世纪80年代，科学家首次发现富勒烯碳（C60），由20个正六边形和12个正五边形构成，碳原子以球状穹顶结构键合，熔沸点低，硬度小且绝缘。

20世纪90年代，碳纳米管首次被发现，其特征为由六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管，层与层之间保持约0.34nm距离，具有高强度、良好的导电传热性能；21世纪，英国科学家成功制备出单原子层石墨烯，这种呈六边形网状结构，且具有优异的光学、电学、力学特性的全新碳材料迅速燃爆全球，成为21世纪最具影响力的新材料！

富勒烯、碳纳米管和石墨烯之间存在必然的关联。当六边形结构组成的平面石墨烯片产生缺陷，部分六边形被五边形取代时就可以在三维空间内卷起来形成足球形状的富勒烯。同样，石墨烯六边形缺陷也可以使其弯曲成圆柱体而产生纳米管。

19世纪80年代，德国物理学家赫尔曼·施瓦茨研究了类似于肥皂泡表面的负弯曲（凹面）结构，并在20世纪90年代关于兴起了关于碳笼分子的理论研究，人们想象可能同样存在负弯曲率的碳笼，称之为Schwarzites碳笼。然而，负曲率碳结构从未被报道。截止目前，正曲率的富勒烯和曲率为零的石墨烯相继被发现并成功制备，并分别于1996年和2010年获得了科学界的无上荣誉——诺贝尔奖。

以沸石为模板来制备碳材料是一种常用的研究手段。最近，韩国和日本科学家利用沸石模板碳（ZTC）成功在沸石的孔内形成schwarzite笼状结构。研究人员在沸石内部注入含碳分子的蒸气，使得碳附着在沸石孔壁上并组装成类二维石墨烯片。由于比表面吉布斯自由能趋于最小，二维石墨烯片表面被拉紧以达到表面积最小化，形成类似于马鞍状的负曲率表面。最终成功获得了三种新型的碳结构分子。

这一结果立即引起了加州大学伯克利分校化学家们的高度关注，并最终证明这就是一直以来化学家们梦寐以求的schwarzite碳结构。

研究人员使用已知的沸石结构对ZTC结构进行计算，并与瑞士拓扑数学家合作确定了结构类似的最小表面可用于制造schwarzites碳笼。结果表明，通过选择合适的沸石可以调整schwarzites碳笼以优化其属性。研究人员表示，在约200种沸石结构中只有15种可用作制造schwarzites碳笼的模板，而迄今为止只有三种ZTC结构成功制备出schwarzite碳笼。

基于理论研究，schwarzites碳笼表面应该会携带大量的电荷，使其成为性能出色的超级电容器材料；而较大的比表面积可使其用于催化石油和天然气工业中的有机反应；较大的内部体积可以存储多种原子和分子。化学家预测schwarzites碳笼将具有独特的电子学、磁性和光学性质，可被用作超级电容器、电池电极和催化剂，并具有适用于气体储存和分离的大型内部空间。

schwarzites碳笼的出现是否预示着下一个诺贝尔化学奖的诞生？又是否会再次带来一场材料学革命？让我们拭目以待！