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未来材料——拉扯就可以改变导电性的碳原子线

文章来源：新材料在线更新时间：2020-09-21 14:39:58

碳炔（卡宾，亦有译作“卡拜”，“线型碳”），由单链的碳原子连接而成，为目前理论上已知最硬的材料。

最近科学家透过理论计算预测，这种新颖材料除了硬，还具备特殊的导电性质，可以由拉扯从导体变成半导体甚至是绝缘体！

碳炔是由线型的碳原子排列而成，每个碳可以提供4个价电子来与周围的原子形成共价键，欲形成直链的话，理论上在两两碳原子间的键数可以是2：2（碳原子间都是双键）或者是1:3（以单键 - 参键 - 单键 - 参键??交错排列），当碳炔处在弛豫态（放松的状态，在此意指不受任何其他外力限制或场影响的状态）时，每组碳碳键几乎是等长，且具备导体的性质。看到这里，你可能会直觉地认为碳碳间应该都是以双键连接，客官且慢，先别那么快下结论！根据派尔斯不稳定性理论（Peieris不稳定），一维的无限长分子串会倾向于变成一长一短的键结来降低总能，那为什么还会说碳炔是等长的呢？原因在于分子并非处在一个静止不动的稳定态，原子的相对位置会振动（在不同键长出现的机率可透过分子的位能面决定）而使键长变化「模糊」。当碳碳键结构在1:3和3:1两种低位能形式间变换（出现机率相同），若是两者间的位能障碍不大，则碳碳键的振动波涵数（核振动波函数），便可以脚踏两条船，分布在1:3和3:1中间的位置上，而不会集中在两个最低位能点，导致我们观测到等长的结果。

莱斯大学（Rice大学）的鲍里斯一Yakobson团队透过理论模拟来研究碳炔[1]，他们将碳炔拉长后计算其导电性质。结果显示，当碳炔被拉长，其碳碳键会趋向于变得不等长（因为1:3和3:1的键结结构间的位能障碍变高，使得碳碳原子振动无法简单越过能障，不能脚踏两条船，只能分布在其中ㄧ种情形（见上图右）），价电子带到导电带的能量间距（带隙）也会被拉大，令碳炔变得更不易导电，此外，在考虑其导电性时，碳炔两端怎么连接到电极也会对结果产生影响。研究者之一的Artyukhov说道：「在这项研究前，大部份人都认为碳炔应该稳定处在一长一短的键结结构，维持绝缘体的状态，而我们的理论考虑了原子振动带来的不确定性，使得零点振动成为与派尔斯不稳定性竞争的变因，抵消了派尔斯不稳定性造成的键长不等距情形」。藉由调整施予碳炔的张力，我们可以控制这两个因素的竞争，调整其导电性，让它从导电相转移到半导体相。

目前，碳炔在合成上仍存在许多技术问题，使得对碳炔的研究大都停留在理论阶段，应用层面也还无法有效发展。未来有一天，若是碳炔可以成功量产化，其坚硬的性质和特殊的导电变化，将有巨大潜力应用到电子或是其他产业上！

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