由科学家合成的具有可调节特性的“ Superdiamond”产品备受追捧

在高压和高温条件下，使用激光加热技术合成了由方方八面体“主体”笼组成的二方方钠石型笼形结构，该笼体捕获了锶“客体”原子。

卡耐基的Li Zhu和Timothy Strobel预测并合成了具有可调节的机械和电子特性的“超金刚石”碳基材料，这是人们期待已久的。他们的工作于2020年1月10日由《科学进展》发表。

碳是宇宙中含量第四高的元素，对我们而言是生命的基础。它具有无与伦比的能力，可以单独或与其他元素形成稳定的结构。

材料的特性取决于其原子如何键合以及这些键所产生的结构排列。例如，对于碳基材料，键的类型会导致具有三维“ sp3”键的金刚石的硬度与具有二维“ sp2”键的石墨的硬度之间的差异。

卡内基（Carnegie）的蒂姆·斯特罗贝尔（Tim Strobel）和李柱（Li Zhu）领导的团队使用先进的结构搜索工具来预测第一个热力学稳定的碳基笼形物，然后合成笼形结构，该结构由捕获锶原子的碳硼笼子组成。

尽管碳化合物存在巨大的渗透性，但只有少数3维，sp3键结合的碳基材料是已知的，包括金刚石。由于具有包括强度，硬度和导热性在内的一系列特性，三维粘结结构使这些材料在许多实际应用中具有极大的吸引力。

“除了钻石及其一些包含其他元素的类似物，几乎没有其他可扩展的sp3碳材料被创造出来，尽管人们对通过这种键合可以潜在合成的结构做出了许多预测，” Strobel解释说。“遵循化学原理表明向结构中添加硼会增强其稳定性，我们研究了另一类3D键合的碳材料，称为笼形物，其笼形结构捕获了其他类型的原子或分子。”

由其他元素和分子组成的包合物是常见的，并且已经合成或发现于自然界中。然而，尽管长期以来一直预测碳基笼形物的存在，但至今尚未合成。研究人员尝试创建它们超过50年。

Strobel，Zhu和他们的团队–卡内基大学的古斯塔夫·M·博斯塔德，刘汉宇，皮奥特·古卡，迈克尔·格雷特，朱莉·安娜·多利纽克，岳萌和罗纳德·科恩，以及大学的伊兰·格林伯格和维塔利·普拉卡彭卡来自美国海军研究实验室的Chicago和Brian L. Chaloux和Albert Epshteyn的研究通过组合计算和实验方法解决了这个问题。

“我们使用先进的结构搜索工具来预测第一个热力学稳定的碳基笼形物，然后合成笼形物结构，该笼形物结构由在高压和高温条件下捕获锶原子的碳硼笼子组成。” 。

结果是具有类似于钻石的粘结力的3D碳基框架，可在环境条件下恢复。但是与钻石不同的是，笼子中捕获的锶原子使材料具有金属性-意味着它可以导电-在高温下具有超导性。

而且，笼形物的性质可能会根据笼子中客体原子的类型而变化。

“被困的来宾原子与宿主的笼子有很强的相互作用，” Strobel说。“根据存在的特定客体原子，可以将包合物从半导体调谐到超导体，同时保持牢固的类金刚石键。鉴于存在大量可能的替代品，我们设想了一种具有高度可调性的全新的碳基材料。”

“对于那些喜欢神奇宝贝或孩子喜欢神奇宝贝的人来说，这种基于碳的笼形结构就像材料的伊夫一样，”朱开玩笑说。“取决于捕获的元素，它具有不同的功能。”

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参考：李柱，古斯塔夫·M·博斯塔德，刘汉宇，皮奥特·A·冈卡，迈克尔·格雷特，朱莉·安娜·杜利纽克，孟孟，伊兰·格林伯格，维塔利·B着作的“碳硼作为一种新型的sp3键合框架材料结合在一起”。 Prakapenka，Brian L.Chaloux，Albert Epshteyn，Ronald E.Cohen和Timothy A.Strobel，2020年1月10日，《科学进展》。
10.1126 / sciadv.aay8361

这项工作得到了DARPA的支持。极端环境下的能源前沿研究中心（EFree）提供了额外的支持，该中心是由美国能源部科学办公室资助的能源前沿研究中心。波兰国家学术交流局；华沙工业大学；欧洲研究理事会高级资助；和ToMCaT。

使用DoD HPCMP开放研究系统的超级计算机Copper和卡内基科学研究所的Memex集群进行计算。这项工作的部分工作是在阿贡国家实验室的高级光子源HPCAT和GeoSoilEnviroCARS上进行的。HPCAT的操作得到了DOE-NNSA实验科学办公室的支持。GeoSoilEnviroCARS由美国国家科学基金会-地球科学（EAR-1634415）和能源-地质科学部提供支持。高级光子源是美国能源部（DOE）科学办公室用户设施，由Argonne国家实验室为DOE科学办公室运行。