碳的新形式是通过用氮化锂加热富勒烯而产生的。
最公认的碳形式是石墨和金刚石，然而，还有其他独特的纳米级碳同素异形体，如石墨烯和富勒烯。这些是sp2杂化碳结构，具有零（扁平形状）或正（球形）曲率。
同时，在理论上提出了具有负曲率的sp 2杂化碳，称为“黑石”，其发现一直是碳材料领域一些科学家的梦想。据了解，碳可以通过气相沉积模板化到某些沸石的某些周期性孔中，但由于某些孔太窄，模板是不完整的。这阻碍了通过模板路线制造碳施瓦茨石。
该团队设想了这种新形式的碳在能量收集，转换和存储，催化化学品生产以及分离分子离子或气体方面的潜在应用。
近日，由Rodney Ruoff主任领导的韩国基础科学研究所（IBS）多维碳材料中心的一组研究人员及其由朱延武教授领导的中国科学技术大学同事报告了一种新的碳形式的发现。
a） 原始 C60 粒子的 TEM 图像。b） 插图中带有 FFT 的放大视图。c） 显示 FCC C111 的 （0） （81.220 nm） 和 （0） 平面 （49.60 nm） 间距的高分辨率图像。d） LOPC 粒子的典型 TEM 图像。e） 放大视图和 FFT。f） 高分辨率图像显示 LOPC 晶体中的变形和连接笼。g） 聚合物晶体颗粒的典型 TEM 图像。h） 放大视图和 FFT。i） 高分辨率图像显示聚合物晶体中标记的单个 C60 笼的中心到中心距离;建议的结构由每个碳的C，F和I中的橙色覆盖层显示。j） 原始C60，LOPC和聚合物晶体的中子PDF。标记0.7nm以下主峰的距离，这是C60保持架的直径。绿色箭头表示与原始C60相比，LOPC和聚合物晶体中峰位置和强度的变化。学分：基础科学研究所
领导USCT团队的朱说：“Ruoff教授解释了他对数学家Schwartz描述的三周期最小表面的兴趣，以及三价键合碳原则上如何在数学结构中产生相同的结构。这些现在被称为“碳黑铁矿”结构，也可以称为“负曲率碳”。几年前我告诉他，这是一个令人兴奋的研究课题，也许可以找到合作的方法。
这种新形式的碳是使用C60富勒烯（巴克明斯特富勒烯，也称为“巴基球分子”）粉末作为基础材料生产的。将C60与α-Li3N（“α氮化锂”）混合，然后在一个大气压下加热至中等温度。据了解，α-Li3N催化了C 60中部分碳-碳键的断裂，然后通过电子转移到C 60分子上与相邻的C60分子形成新的C-C键。
Ruoff说：“在这项特殊的工作中，中国科学技术大学的朱教授和团队使用一种有效的电子转移剂（α-Li3N）通过从结晶富勒烯开始驱动新型碳的形成。
a） 原子结构模型、光学和 SEM 图像。b） Cu Kα （λ = 0.15418 nm） X射线衍射图谱与模拟LOPC基于提出的原子结构模型。AU，任意单位。c） LOPC的X射线衍射图，温度由LOPC-550等表示。用于在不同温度下制备的样品。d） 原始 C60、LOPC 和聚合物晶体的拉曼光谱。e） 13C MAS-SSNMR 波谱。粉色线表示聚合物晶体的洛伦兹峰拟合;*表示自旋边带。f） LOPC 的低压 Ar （87.3 K） 吸附/解吸等温线和（插图）孔径分布（通过使用具有 DFT 平衡模型的狭缝孔计算），每条等温线曲线上方标记了比表面积值 （m2 g?1）。学分：基础科学研究所
朱教授和团队将他们的新碳命名为“远程有序多孔碳”（LOPC）。
LOPC 由“破碎的 C60 笼子”组成，这些笼子与长距离周期性相连。也就是说，破碎的C60笼子各自仍然以面心立方晶格的晶格位点为中心，但它们已经在一定程度上被“打开”并相互形成键。这是一个有点不寻常的情况——仍然有某种类型的远程周期顺序，但并非每个破碎的 C60 笼子都与其邻居相同。
结果表明， LOPC的形成发生在较窄的温度和碳/锂3N比条件下.以550 o C的比例加热到5 oC，碳和Li1N之间的比例会导致布基球的部分破坏（一些C-C键断裂），这导致了在LOPC中发现的“破碎的C3笼”结构。
480 oC或更低水平的Li3N的温和温度不会损坏巴基球，而是连接在一起形成“C60聚合物晶体”。这种晶体在重新加热时分解回单个巴基球。同时，添加过多的Li3N或高于600°C的更苛刻温度会导致巴基球完全分解。
a） 用斯坦哈特型阶次参数（OP）表示的fcc C60势能面。根据得到的碳的几何特征，圈出五个不同的区域来引导眼睛，并列出了其中四个的代表结构：（A）fcc C60，（B）由1D富勒烯聚合物链组成的聚合物晶体，（C）由2D富勒烯聚合物网络组成的聚合物晶体，（D）由2D富勒烯聚合物网络组成的聚合物晶体，以环为连接， （E）管间聚合的一维花生形管，（F）开笼花生形管，（G）1D连接状石墨烯状结构，（H）二维弯曲状石墨烯状结构，（I）3H石墨和（J）残余卡宾。b） 根据温度获得的 2C 化学位移光谱，从原位 MAS-SSNMR 数据获得，同时用 2 mg α-Li13N 加热 500 mg C60。c） 计算出两个没有Li吸附的隔离C100笼的3 + 2聚合的反应能路径（“2 Li”），其中一个Li原子吸附在sp60键合位点附近（“0 Li附近”）或一个Li原子远离sp3键合吸附（“1 Li far”）。
这种新碳通过多种方法表征，并且（事实上）它的表征并不容易，因为各种略有不同的“破碎的C60笼”，但它们仍然保持它们在标准面心立方晶格中的位置。利用X射线衍射、拉曼光谱、魔角自旋固态核磁共振波谱、像差校正透射电子显微镜和中子散射等手段，对这种新型碳的结构有了深入的了解。基于神经网络类型建模的数值模拟，结合上述实验方法，表明LOPC是从“富勒烯型”到“石墨烯型”碳转变过程中产生的亚稳结构。
“碳K边缘近边缘X射线吸收精细结构”数据显示，LOPC中的电子离域程度高于C60。在室温下，电导率为1.17×10?2 S cm?1，并且在低于30开尔文的温度下传导似乎是短距离金属传输的组合，由载流子跳跃打断。了解这些电学特性对于阐明这种新型碳的可能应用非常重要。
Ruoff指出：“虽然这种美丽的新型碳具有许多迷人的特征，但它不是碳黑石，因此实验挑战仍然在地平线上！事实上，这种碳是不同和独特的——它为碳材料开辟了新的方向。
a） 状态密度。b） 碳 K 边 NEXAFS 光谱。插图显示了第一个突出峰的激发原子的模拟最终状态分子轨道（原始C284为4.60 eV，LOPC为285.0 eV，聚合物晶体为284.2 eV）。标记为蓝色的原子是激发原子（同值= 0.02）。c） 通过将每个碳与 5 wt% 聚四氟乙烯混合制成的三个膜的直流电压-电流曲线。插图显示纵坐标的放大视图。根据曲线计算的电导率分别为原始C2、聚合物晶体和LOPC×44.10 9?1 S cm?7、39.10 × 8?1 S cm?1和17.10 × 2?1 S cm?60。d） LOPC、石墨粉和rGO粉的电阻率测试。插图显示了g值随LOPC退火温度的变化。
LOPC的制备为从C60（s）开始发现其他结晶碳铺平了道路 - 也许还有其他富勒烯，如C70，C76，C84等。其他令人兴奋的选择将是包括另一个元素。这可以通过从“内面体”富勒烯（例如M@ C60）开始来完成，其中M可以是镧或许多其他元素，封装在全碳富勒烯笼内。
该团队看到了在能源收集、转化和储存方面的可能应用;在催化作用中生成化学产品;以及用于分离分子离子或气体。他们的Nature论文中还强调了一个重要方面是合成的可扩展性。朱指出，它很容易扩展到公斤级，并且通过连续的生产过程，有可能实现吨级生产。
“Yanwu邀请我加入这项工作，因为他们在综合方面取得了一些初步成功，并有望在他们的项目中采取初步步骤，幸运的是，我能够就正在进行的科学提出一些有用的建议，直到完成现在发表在《自然》杂志上的这项研究。综合和动手实验研究的功劳完全归功于Yanwu和他的团队。我很高兴就某些主题提供一些建议，包括要进行的一些分析以及可能从中学到的东西，“Ruoff指出。“与同事合作是从事科学研究的乐趣之一。这里的主题是一种新形式的碳，完全符合我指导的CMCM中心的利益，该中心位于UNIST中。因此，我怀着兴奋的心情加入了合作，并非常渴望尝试以有用的方式做出贡献！
朱说：“Ruoff教授是碳材料领域的传奇科学家，而且，简单地说。我在他的研究小组做了3年零3个月的博士后，在那些年里，我从他那里学到了很多关于如何做基础科学的知识。事实上，我作为博士后的最后几年每天都在与他进行非常密切的对话，这些工作最终发表在《科学》杂志上，恰好也是关于基于类石墨烯片的三键碳。我和我的团队很高兴他加入了我们的努力，他对我们在《自然》杂志上发表的文章中描述的科学做出了巨大贡献。
该研究由基础科学研究所资助。
