碳是宇宙中含量第四高的元素，也是我們所知道的構(gòu)成生命的基礎(chǔ)，無論是單獨(dú)的碳還是與其他元素聯(lián)合構(gòu)成的物質(zhì)都能形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

材料的性質(zhì)取決于其原子的鍵合方式以及鍵合所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)形式。對(duì)于基于碳的材料，不同的鍵合方式產(chǎn)生了不同的材料性質(zhì)，比如具有三維“ sp3”鍵的金剛石具有很高的硬度，而具有二維“ sp2”鍵的石墨則具有很好的柔軟性。

盡管碳化合物種類繁多，但只有少數(shù)3維，采用sp3鍵結(jié)合的碳基材料是已知的，包括金剛石。由于其具有包括強(qiáng)度，硬度和熱導(dǎo)率在內(nèi)的一系列優(yōu)秀特性，這類三維鍵合結(jié)構(gòu)的材料在許多實(shí)際應(yīng)用中具有非常高的競(jìng)爭(zhēng)力。

盡管人們對(duì)這種鍵合可能合成的結(jié)構(gòu)做出了許多預(yù)測(cè)，但除了鉆石及其一些包含其他元素的類似物，幾乎沒有其他可擴(kuò)展的sp3碳材料被創(chuàng)造出來。

近日，卡耐基科學(xué)研究所的Timothy Strobel及其研究團(tuán)隊(duì)預(yù)測(cè)并成功合成了具有可調(diào)節(jié)機(jī)械性能和電子性能的“超級(jí)金剛石”碳基材料，研究成果發(fā)表在《Science Advances》雜志上。

Strobel介紹了其研究過程：“根據(jù)化學(xué)原理，向結(jié)構(gòu)中添加硼會(huì)增強(qiáng)其穩(wěn)定性，我們研究了另一種稱為籠形物的3D鍵合碳材料，其籠形結(jié)構(gòu)捕獲了其他類型的原子或分子?！?/p>

由其他元素和分子組成的絡(luò)合物是常見的，并且已經(jīng)在自然界中合成或發(fā)現(xiàn)。然而，盡管長(zhǎng)期以來一直預(yù)測(cè)碳基籠形物的存在，但至今尚未合成成功。研究人員嘗試創(chuàng)建這種結(jié)構(gòu)已經(jīng)超過50年。

Strobel及其研究團(tuán)隊(duì)使用先進(jìn)的結(jié)構(gòu)搜索工具來預(yù)測(cè)第一個(gè)熱力學(xué)穩(wěn)定的碳基籠形物，然后合成籠形物結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由在高壓和高溫條件下捕獲鍶原子的碳硼籠子組成。

最終合成了具有與鉆石鍵合方式相同的3D碳基骨架，并且可在環(huán)境條件下回收。但是與鉆石不同的是，籠子中捕獲的鍶原子使材料具有金屬性-意味著它可以導(dǎo)電，并且在高溫下具有超導(dǎo)潛力。此外，籠形物的性質(zhì)可能會(huì)根據(jù)籠子中客體原子的類型而變化。

Strobel說：“被困的原子與籠子有很強(qiáng)的相互作用。根據(jù)存在的特定客體原子，可以將包合物從半導(dǎo)體調(diào)整為超導(dǎo)體，同時(shí)保持牢固的類金剛石鍵。鑒于存在大量可能的替代物，我們?cè)O(shè)想了一種全新的具有高度可調(diào)屬性的碳基材料。”