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卡拜（carbyne）可能是最硬的已知物
据美国化学会《化学与工程新闻》（C&EN）周刊网站2013年10月17日报道，卡拜（carbyne）这种碳原子的一维链状物质可能是目前已知的最强的物质，甚至比碳的其他同素异形体如金刚石、石墨烯、碳纳米管更硬。卡拜是1968年在自然界发现的一种是碳原子以线型而构成的碳的新同素异形体（见图1）。图1所示的就是卡拜的碳原子的链结构和其最高占有分子轨道（HOMO），分别用黄色和绿色表示，预测此材料是目前已知材料中更强的一种材料，甚至比石墨烯还要硬。
图1 卡拜（Carbyne）结构
据美国赖斯大学（Rice University）机械工程与材料科学系、化学系、斯莫利纳米科技研究所（SmalleyInstitute for Nanoscale Science and Technology）的研究人员合作经过理论计算, 得知被称为卡拜（carbyne）的碳原子一维线性带状物的强度，应该比任何已知的材料更硬，如果实验者都可以找出如何来批量制得这种材料，其预测结果是否属实就立即可以得到验证。研究人员预测,碳的这种同素异形体也可能具有新奇的、对计算系统有用的电、磁特性。
卡拜并不是什么新物质，它是1968年在自然界发现的一种是碳原子以线型而构成的碳的新同素异形体。德国埃尔兰根-纽伦堡（Erlangen-Nuremberg）的弗里德里希-亚历山大大学（ Friedrich-AlexanderUniversity）的化学家Rik R. Tykwinski谈到，虽然卡拜的观念并非新鲜，但是对其理论计算的新预测是最全面的。Rik R. Tykwinski本人并没有参与此项研究工作。
自20世纪50年代以来，化学家就一直玩弄碳的这些形式。研究人员已经尝试合成聚炔烯（polyynes）,是通过碳原子之间以单键和三键交替而形成的碳链化合物；还有累积多烯（cumulenes）化合物,即碳原子之间以双键链接而形成链状化合物。制备这些化合物中的任何一种都很困难,关键是其稳定性太差,所以卡拜研究一直处于停滞不前的状态。但是，石墨烯、碳纳米管和富勒烯均由碳原子构成，曾经也被认为是难以合成的不稳定物质，它们相继合成成功使得科学家对于合成卡拜的兴趣再次燃起。2010年, Rik R. Tykwinski在溶液中制得含有44个碳原子的聚炔链（44-carbon-long polyyne chains）化合物，研究结果在《自然化学》（Nature Chem. 2010, DOI: 10.1038/nchem.828）杂志发表。
莱斯大学化学家Boris I. Yakobson受到Rik R. Tykwinski合成聚炔链化合物实验成功的启示,似乎看到了可以在实验室制备卡拜的一丝希望,他说他和他的同事们“想要得到卡拜特性的一个清晰而全面的勾画。”
使用第一性原理建模,赖斯大学研究小组在特定条件下，通过计算碳链的能量状态，预测了卡拜的各种特性。例如,他们通过检查两个碳原子之间的距离增加时将会发生什么来预测卡拜的抗拉强度，如果作为一个真链条就会被拉伸。化学家计算出该材料的能量变化，来确定其在变得不稳定之前所能承受多大力。
一般来说,卡拜应该比其他碳材料具有更好的力学性能。例如,它的抗拉刚度应该是石墨烯和碳纳米管抗拉刚度的两倍。卡拜也应该具有新奇的磁性。研究人员预测, 碳链从其正常状态扭转90o会使其转变成一种磁性半导体。研究人员认为这种属性会引起材料科学家的浓厚兴趣，以便开发数字存储设备。
Yakobson认为，这种材料应该具有巨大的表面积, “如果有人能够生产一个小立方体的这些细丝,它会很轻,具有高孔隙度,”这样一种高表面积材料可能会在储能设备像电池电极或化学传感器等制造领域派上用场。不过Yakobson承认他们的预测与实验现实是有偏离的。例如,他们没有预测环境中的氧气究竟会怎样来影响碳链结构的稳定性。化学家正在更深层面详细研究预测卡拜的电学特性。
当然,对于卡拜而言最大的挑战是找到一种大规模的合成方法。在实验室少量制备卡拜是如此的困难,但是Tykwinski说这是一个真正的“心甘情愿做的工作”,大多数试图合成碳同素异形体的实验，往往是仅仅产生一层难以定性的黑色物质附着在烧杯底部。但Tykwinski制作灵感来源于石墨烯的合成。化学家在理论上模仿石墨烯是在多少年前就已经开始，如何来制备石墨烯或者知道石墨烯是否暴露在空气中仍然是稳定的，以前人们对此并不了解。但是在2004年,研究人员用常见的桌上用品，通过压碎石墨再用胶带使其层层剥离来制造石墨烯。他希望类似的飞跃同样发生在卡拜合成研究过程中。
北京理工大学 董宇平 教授 推荐
原作者：诸平
更多信息请浏览：Mingjie Liu, Vasilii I. Artyukhov, Hoonkyung Lee, Fangbo Xu,and Boris I. Yakobson. Carbyne from First Principles: Chain of C Atoms, a Nanorod or a Nanorope. ACS Nano, PubDatePublication Date (Web): October 5, 2013, DOI:201310.1021/nn404177r.
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