胡华进

【关键词】碳同素异形体;杂化;连接;铰接

作为生命最基本的组成部分之一，碳是最常见和最容易获得的元素。由于一种碳材料中可以同时存在、sp、sp2和sp3这三种不同的杂化方式，从而形成多种碳同素异形体[1]。石墨和金刚石是自然界中常见的两种碳的同素异形体，同时也是两种最早被发现的碳。石墨是良导体，因此通常用作标准电极[2]，而金刚石是一种众所周知的超硬材料。然而随着科学技术的进步，自然界中就广泛存在的材料已经不能满足各种复杂的应用领域。因此科学家们开始寻找各种不同的新材料，其中就包括新的碳的同素异形体。

在过去的几十年里，随着计算科学的快速发展，寻找新的碳的同素异形体不再仅限于通过实验合成的方法，通过理论计算预测新的碳的同素异形体，并通过第一性原理计算来预测新结构的各种性能也成为一种行之有效的方法。在理论计算与实验技术的相辅相成之下，各种不同的碳同素异形体已被成功预测和制备，碳纳米管（CNTs）[3][4]、富勒烯[5][6]、石墨烯[7]、T-碳[8]等。从富勒烯到碳纳米管的发现激发了研究者们对新碳材料的研究热情。后来，特别是石墨烯材料的发现，正式开启了人们对二维材料的研究热情。至此从0维到3维，碳材料的结构由于其丰富的杂化方式，使得其在四个维度中都有着丰富的构型。由于碳基材料在机械、电子、催化和热电等方面的广泛应用，可见碳及碳基材料已成为当今最主流的材料之一，而构建并成功制备新的碳同素异形体成为了当前的关于碳材料研究的重要方向之一[9]。……