碳是一種奇跡般的元素，它可以創(chuàng)造生命，還有鉆石、石墨、富勒烯、納米管、石墨烯、石墨炔，等等。其中，我們最熟悉的石墨隨著科技的發(fā)展也成了一種日益重要的碳材料。

石墨的用途多種多樣，目前最蓬勃發(fā)展的應用之一就是用于制造鋰離子電池的陽極，這對電動汽車行業(yè)至關重要，比如，平均每輛特斯拉Model S需要54千克石墨。

隨著世界對石墨等碳基材料的需求增加，這類材料也會變得越來越難以獲取，許多科學家也因此開始探索制造碳的更多可能。

近日，一組研究團隊提出了一種新型碳固體，他們稱之為“非晶石墨”（amorphous graphite）。在發(fā)表于《物理評論快報》的論文中，研究人員介紹了非晶石墨的從頭合成。他們的研究正是從一個問題出發(fā)的：我們能用煤制造出石墨嗎？

  高溫下的石墨化  

在化學中，通過高溫熱處理，將無定形亂層結構的碳質材料，轉化為層狀的石墨結構的過程被稱為石墨化。團隊所追求的是Ab initio，可以理解為“從頭”，也就是說，他們希望找到一條從自然發(fā)生的碳質材料，到石墨的合成形式的新途徑。

在研究中，團隊通過從頭計算和機器學習的分子動力學模擬表明，純碳網(wǎng)絡有一種明顯、甚至壓倒性的傾向，它在一個關鍵的密度和溫度窗口中，會轉換為層狀結構，即使是隨機的初始構型也會出現(xiàn)分層。

層的形成過程。從1000個隨機選擇的初始配位開始，模型在3000K下退火，并在60×10?12秒后形成分層。視頻中綠色代表兩個配位的原子，藍色代表一個配位的原子，黃色代表三配位原子，紅色四配位原子。最后出現(xiàn)的層是無定形石墨烯的平面。（視頻／Ohio University）

他們發(fā)現(xiàn)了一種在約3000開氏度的高溫下形成的分層材料，也就是非晶石墨。由于這種相在拓撲上是無序的，它與石墨本身有所區(qū)別。

非晶石墨包含1000個原子的模型中的一個平面。黃球代表碳原子。環(huán)的無序狀態(tài)在圖中體現(xiàn)了出來，其中五邊形、六邊形和七邊形并存。（圖／Ohio University）

如果仔細觀察單層平面，也就是非晶石墨烯，它們并不是那種構成理想石墨烯的完美六邊形的層。這種新材料中包含了大量的六邊形，但也有五邊形和七邊形。

與石墨烯相比，這種環(huán)的無序降低了新材料的導電性，但在以六邊形為主導的區(qū)域，導電性仍然很高。

團隊注意到層與層之間的空隙中形成的離域電子氣體，同時發(fā)現(xiàn)，平面間的內聚力部分是由于這種低密度的電子氣體的形成，也就是說，它可以讓這些層“粘”在一起。

  從預測到實驗  

這項研究提出了非晶石墨存在的證據(jù)，并描述了它的形成過程。目前，從一些實驗中，科學家已經(jīng)懷疑在3000K左右出現(xiàn)了石墨化的跡象，但形成過程的細節(jié)和平面內的無序性尚不清楚。

研究人員希望，他們的發(fā)現(xiàn)能夠刺激更多實驗和研究，從而解決非晶石墨的存在問題。

從隨機的初始構型（灰色），經(jīng)過熱處理后，在3000K的高溫下形成了非晶石墨（黃色）。（圖／Ohio University）

雖然這篇論文并沒有完全回答“我們能否用煤制造出石墨”這個問題，但它已經(jīng)邁出了第一步。這個結果表明，碳有一種明顯的分層趨勢，但也存在許多“缺陷”，比如五碳環(huán)和七碳環(huán)，它們會很自然地融入網(wǎng)絡中。

從微觀來看，碳還包含了很多有趣的基礎物理學，比如，碳的平面是如何結合在一起的，又為什么會這樣。而所有這些都值得細細探索。