繼碳納米管與石墨烯誕生以來，近日日本科學(xué)家成功制備出了負(fù)曲率表面的碳材料——Schwarzites碳籠。這一成果立即引發(fā)了科學(xué)界的高度關(guān)注…

碳，是一種極為常見的化學(xué)元素，卻充滿神秘和未知的色彩。堅硬無比的金剛石和質(zhì)軟滑膩的石墨是碳家族最出名的碳三維晶體；20世紀(jì)80年代，科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)富勒烯碳（C60），由20個正六邊形和12個正五邊形構(gòu)成，碳原子以球狀穹頂結(jié)構(gòu)鍵合，熔沸點(diǎn)低，硬度小且絕緣。

20世紀(jì)90年代，碳納米管首次被發(fā)現(xiàn)，其特征為由六邊形排列的碳原子構(gòu)成數(shù)層到數(shù)十層的同軸圓管，層與層之間保持約0.34nm距離，具有高強(qiáng)度、良好的導(dǎo)電傳熱性能；21世紀(jì)，英國科學(xué)家成功制備出單原子層石墨烯，這種呈六邊形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，且具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性的全新碳材料迅速燃爆全球，成為21世紀(jì)最具影響力的新材料！

富勒烯、碳納米管和石墨烯之間存在必然的關(guān)聯(lián)。當(dāng)六邊形結(jié)構(gòu)組成的平面石墨烯片產(chǎn)生缺陷，部分六邊形被五邊形取代時就可以在三維空間內(nèi)卷起來形成足球形狀的富勒烯。同樣，石墨烯六邊形缺陷也可以使其彎曲成圓柱體而產(chǎn)生納米管。

19世紀(jì)80年代，德國物理學(xué)家赫爾曼·施瓦茨研究了類似于肥皂泡表面的負(fù)彎曲（凹面）結(jié)構(gòu)，并在20世紀(jì)90年代關(guān)于興起了關(guān)于碳籠分子的理論研究，人們想象可能同樣存在負(fù)彎曲率的碳籠，稱之為Schwarzites碳籠。然而，負(fù)曲率碳結(jié)構(gòu)從未被報道。截止目前，正曲率的富勒烯和曲率為零的石墨烯相繼被發(fā)現(xiàn)并成功制備，并分別于1996年和2010年獲得了科學(xué)界的無上榮譽(yù)——諾貝爾獎。

以沸石為模板來制備碳材料是一種常用的研究手段。最近，韓國和日本科學(xué)家利用沸石模板碳（ZTC）成功在沸石的孔內(nèi)形成schwarzite籠狀結(jié)構(gòu)。研究人員在沸石內(nèi)部注入含碳分子的蒸氣，使得碳附著在沸石孔壁上并組裝成類二維石墨烯片。由于比表面吉布斯自由能趨于最小，二維石墨烯片表面被拉緊以達(dá)到表面積最小化，形成類似于馬鞍狀的負(fù)曲率表面。最終成功獲得了三種新型的碳結(jié)構(gòu)分子。

這一結(jié)果立即引起了加州大學(xué)伯克利分校化學(xué)家們的高度關(guān)注，并最終證明這就是一直以來化學(xué)家們夢寐以求的schwarzite碳結(jié)構(gòu)。

研究人員使用已知的沸石結(jié)構(gòu)對ZTC結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算，并與瑞士拓?fù)鋽?shù)學(xué)家合作確定了結(jié)構(gòu)類似的最小表面可用于制造schwarzites碳籠。結(jié)果表明，通過選擇合適的沸石可以調(diào)整schwarzites碳籠以優(yōu)化其屬性。研究人員表示，在約200種沸石結(jié)構(gòu)中只有15種可用作制造schwarzites碳籠的模板，而迄今為止只有三種ZTC結(jié)構(gòu)成功制備出schwarzite碳籠。

基于理論研究，schwarzites碳籠表面應(yīng)該會攜帶大量的電荷，使其成為性能出色的超級電容器材料；而較大的比表面積可使其用于催化石油和天然氣工業(yè)中的有機(jī)反應(yīng)；較大的內(nèi)部體積可以存儲多種原子和分子。化學(xué)家預(yù)測schwarzites碳籠將具有獨(dú)特的電子學(xué)、磁性和光學(xué)性質(zhì)，可被用作超級電容器、電池電極和催化劑，并具有適用于氣體儲存和分離的大型內(nèi)部空間。

schwarzites碳籠的出現(xiàn)是否預(yù)示著下一個諾貝爾化學(xué)獎的誕生？又是否會再次帶來一場材料學(xué)革命？讓我們拭目以待！