随着世界对石墨等碳基材料的需求增加，俄亥俄大学的研究人员本周提出了一种新的碳固体的证据，他们将其命名为“无定形石墨”。

在高温（3000K）下从随机初始构型（灰色）热处理后获得的非晶石墨（黄色）。图片来源：俄亥俄大学

物理学家 David Drabold 和工程师 Jason Trembly 从这个问题开始，“我们可以用煤制造石墨吗？”

石墨是一种重要的碳材料，用途广泛。石墨的一个新兴应用是锂离子电池中的电池阳极，它对电动汽车行业至关重要——一辆特斯拉 Model S 平均需要 54 公斤石墨。这样的电极最好用纯碳材料制成，由于技术需求的螺旋式增长，这种材料变得越来越难以获得。

“Ab initio”的意思是“从头开始”，他们的工作寻求从天然存在的碳质材料合成石墨形式的新途径。通过几种不同的计算，他们发现了一种在非常高的温度（约 3000 开尔文）下形成的层状材料。由于层间形成了电子气，它的层保持在一起，但它们并不是构成理想石墨烯的完美六边形层。这种新材料有很多六边形，还有五边形和七边形。与石墨烯相比，这种环状无序降低了新材料的导电性，但在主要由六边形主导的区域，导电性仍然很高。

不是只有六边形

“在化学中，通过高温热处理将碳质材料转化为层状石墨结构的过程称为石墨化。在这封信中，我们从从头算和机器学习分子动力学模拟表明，纯碳网络具有压倒性的转化倾向到具有显着密度和温度窗口的分层结构，即使对于随机起始配置也会发生分层。平坦层是无定形石墨烯：拓扑无序的三配位碳原子排列在具有五边形、六边形和七边形碳的平面中，”Drabold 说，俄亥俄大学文理学院物理学和天文学特聘教授。

“由于这个阶段在拓扑上是无序的，石墨通常的‘堆叠注册表’仅在统计上得到尊重，”Drabold 说：“在没有对密度泛函（LDA 和 PBE）力进行范德华校正的情况下观察到分层，我们讨论了在通道（平面之间的空隙）中形成离域电子气，并表明平面内聚力部分是由于这种低-密度电子气。相对于石墨烯，面内电子电导率显着降低。

研究人员希望他们的声明能够刺激解决无定形石墨存在的实验和研究，这可能可以通过剥落和/或实验性表面结构探针进行测试。

Trembly 是俄亥俄大学 Russ 工程技术学院机械工程拉斯教授兼可持续能源与环境研究所所长，他一直致力于煤炭的绿色利用。他和 Drabold 以及物理学博士生 Rajendra Thapa、Chinonso Ugwumadu 和 Kishor Nepal 合作开展了这项研究。Drabold 还是俄亥俄州纳米尺度和量子现象研究所的成员，他发表了一系列关于无定形碳和无定形石墨烯理论的论文。Drabold 还强调了他的研究生在开展这项研究方面的出色工作。

令人惊讶的平面内聚力

“导致我们这样做的问题是我们是否可以用煤制造石墨，”Drabold 说：“这篇论文没有完全回答这个问题，但它表明碳具有压倒性的分层倾向——就像石墨一样，但有许多‘缺陷’，如五边形和七边形（碳原子的五元和七元环），这非常自然地融入网络。我们提供了无定形石墨存在的证据，并描述了它的形成过程。从实验中怀疑石墨化发生在 3,000 K 附近，但形成过程的细节和平面中无序的性质是未知的。”

俄亥俄大学研究人员的工作也是对新阶段碳的预测。

“在我们这样做之前，无定形石墨烯层（包括五边形和七边形的平面）会以分层结构粘在一起并不明显。我发现这很令人惊讶，而且实验家很可能会去寻找这个既然已经预测到它的存在，”Drabold 说：“碳是一种神奇的元素——你可以创造生命、钻石、石墨、巴基球、纳米管、石墨烯，现在还有这个。这里面也有很多有趣的基础物理学——例如平面如何以及为什么结合，这个出于技术原因，这本身就非常令人惊讶。”