最近，美國俄克拉荷馬大學科學家提出，石墨烯可能還有一類三維的異型體，它們屬于一個新家族。這些結(jié)構(gòu)有可能在實驗中合成，其中最簡單的“超蜂窩”結(jié)構(gòu)擁有許多不尋常的性質(zhì)，可能比金剛石更穩(wěn)定。相關論文發(fā)表在最近的《物理評論快報》上。

石墨烯是一種單層六角形的2D結(jié)構(gòu)，每個碳原子與其他3個碳原子相連。這種“平面三角連接”賦予它許多獨特的屬性，尤其是電學性質(zhì)，使其成為一種卓越的半導體材料。石墨烯的三角連接會產(chǎn)生不尋常的現(xiàn)象：造成電子的能量隨其動量呈線性變化，使電子出現(xiàn)類似接近光速運動的行為。迪拉克方程描述了這種相對論電子，所以電子產(chǎn)生這種行為時的動量值被稱為“迪拉克點”。大部分材料結(jié)構(gòu)都沒有迪拉克點。這種線性行為會大大影響電子分布和它們與晶格振動之間的相互作用。

研究人員想知道，把碳基平面三角結(jié)構(gòu)上的迪拉克點擴展到三維空間，形成迪拉克環(huán)會怎樣。實驗中至今尚未觀察到迪拉克環(huán)，只是預測其存在于少數(shù)精微材料中。分析認為，當三角連接碳原子鏈互相垂直堆疊時，理論上可以形成迪拉克環(huán)。這種排列不同于石墨，石墨雖然也是3D結(jié)構(gòu)，但是一層層堆疊的。而垂直堆疊鏈有許多不同的維度，因為蜂窩六角形在垂直和水平結(jié)合方式上有多種可能。如最簡單的超蜂窩結(jié)構(gòu)，只有兩個碳原子互相垂直組成，其晶格有點像微小的雙面書架。

俄克拉荷馬大學基蘭·穆倫說：“我們的研究有兩層含義。首先，這是第一個展示迪拉克環(huán)的簡單系統(tǒng)。迪拉克環(huán)是電子系統(tǒng)中尚未見到的一種性質(zhì)，對電子流經(jīng)系統(tǒng)的方式以及它們在磁場中的行為都有很大影響。其次，這一系統(tǒng)會帶來許多相關系統(tǒng)，有些是其他碳結(jié)構(gòu)，有些是類似的不同物理系統(tǒng)，如冷氣體原子的光學晶格，還可能發(fā)現(xiàn)更多不尋常的性質(zhì)。”

3D結(jié)構(gòu)可能會讓超蜂窩同素異形體極其穩(wěn)定，甚至超過金剛石和石墨。穆倫說：“我們正在嘗試計算其硬度(拉伸性)和強度(抗斷裂性)。”他們預計，要合成這種碳同素異形體新家族是個很大挑戰(zhàn)，但用目前的技術(shù)也是可能的。