From soft hcb (2D) C16 to ultrahard lon (3D) C16 and derived superhard carbonitride tpd-C12N4: Structure engineering and DFT
本研究利用晶体化学工程和密度泛函理论，将一种软性的二维层状 hcb-C16 碳同素异形体转化为超硬的三维类伦斯代尔石型 lon-C16 结构以及一种衍生的超硬 tpd-C12N4 碳氮化物，并对其机械稳定性、电子性质和热行为进行了表征。
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碳是伪装大师。在它最熟悉的形态中，它将自己排列成扁平的蜂窝状薄片，这些薄片可以轻易地相互滑动，从而形成了我们所熟知的柔软黑色物质——石墨。在巨大的压力下，同样的原子可以紧密锁定在一起，形成刚性的三维笼状结构，从而构成已知最硬的天然物质：钻石。科学家们长期以来一直对这两个极端之间的空间感到着迷，寻找新的排列碳原子的方法，以创造具有特定且有用属性的新材料。其目标是设计出不仅是坚硬、而且是超硬的结构，甚至可能在强度上超越钻石，或者创造出能以钻石无法实现的方式导电的材料。这一追求依赖于理解材料的原子骨架形状如何决定其行为，在这一领域，计算机模拟目前在预测自然界可能遗漏的可能性方面发挥着领先作用。
在最近的一项研究中，黎巴嫩德国大学的研究人员探索了一种将柔软的二维碳结构转化为超硬三维结构的特定路径。他们从一种被称为 hcb-C16 的理论上的扁平碳原子层开始。在这种状态下，原子位于单层中，其键合方式使得该材料相对柔软并能够导电，非常类似于用于铅笔的石墨。团队利用先进的计算机建模来模拟如果他们对这张扁平薄片进行推力和拉力会发生什么，具体是通过沿垂直轴使层发生褶皱。这种被称为“起伏”（puckering）的过程，迫使原子脱离其平面，进入一种新的三维排列。
这种结构工程的结果是一种被称为 lon-C16 的新碳形态。与它扁平的前身不同，这种新结构是由四面体构建的，即每个碳原子与四个邻居连接的类似金字塔形的形状。这种几何结构类似于在陨石撞击现场发现的罕见六方金刚石（lonsdaleite）。模拟显示，这种转变从根本上改变了材料的特性。柔软的导电薄片变成了超硬的绝缘固体。研究人员计算出，这种新同素异形体将拥有 95 吉帕斯卡（GPa）的硬度，这一数值等于钻石的硬度。这表明，通过简单地将现有原子从扁平薄片重新排列为起伏的三维晶格，理论上可以创造出一种像最硬天然石材一样坚硬的材料。
团队并未止步于纯碳。他们应用相同的结构逻辑，通过用氮原子替换部分碳原子，创造出了一种相关的材料，得到了一种名为 C12N4 的化合物。在这种新结构中，氮原子取代了四面体框架内特定的碳位点。这种取代创造了一种被研究人员归类为超硬的材料，其计算硬度为 61 吉帕斯卡。虽然不如纯碳版本硬，但这种碳氮化物明显比原始的扁平薄片更硬，并提供了不同的电子特性。模拟表明，虽然扁平碳片导电而纯三维碳形态表现为绝缘体，但这种富氮化合物表现为半导体，这一特性对于电子应用可能具有价值。
为了确保这些材料不仅仅是理论上的幻想，而是物理上可能的，研究人员在计算机模型中对它们进行了严格的测试。他们检查了动力学稳定性，这本质上是在询问原子是否会以导致结构坍塌的方式发生振动。扁平碳片在振动中显示出不稳定的迹象，证实了其柔软的性质，但无论是三维碳形态还是氮化合物，其振动方式都表现得十分稳定，这表明它们在现实中是可以存在的。团队还分析了这些材料对热的反应，发现三维碳形态的热行为与天然钻石非常接近。研究结论认为，通过对原子层的仔细操控，是有可能设计出一系列从柔软导电到超硬绝缘的材料家族，而所有这些都源自相同的基础构建模块。
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