碳纳米泡沫

碳纳米泡沫是一种碳的同素异形体，由安德烈·V·罗德 (Andrei V. Rode) 及其同事在堪培拉的澳大利亚国立大学于 1997 年发现。 它由在松散的三维网络中串在一起的碳原子簇组成。 类分形键结构由通过 sp3 键连接的 sp2 类石墨簇组成。 sp3 键主要位于结构表面，占材料的 15% 至 45%，使其框架类似于类金刚石碳膜。 这种材料非常轻，密度为 2-10 x 10−3 g/cm3 (0.0012 lb/ft3)，类似于气凝胶。 其他显着的物理特性包括 300–400 m2/g 的大表面积（类似于沸石）。

每个团簇大约 6 纳米宽，由大约 4000 个碳原子组成，这些碳原子连接在类石墨片中，由于在正六边形图案中包含七边形，因此具有负曲率。 这与巴克明斯特富勒烯的情况相反，在巴克明斯特富勒烯中，碳片因包含五边形而具有正曲率。

碳纳米泡沫的大尺寸结构类似于气凝胶，但其密度仅为先前生产的碳气凝胶的 1%——或者仅为海平面空气密度的几倍。 与碳气凝胶不同，碳纳米泡沫是不良电导体。 纳米泡沫包含许多不成对的电子，Rode 及其同事提出这是由于碳原子在拓扑和键合缺陷处发现的只有三个键。 这可能会产生碳纳米泡沫最不寻常的特性：它会被磁铁吸引，低于 −183 °C 时，它本身就可以具有磁性。

碳纳米泡沫是已知的xxx具有铁磁性的纯碳形式，这对于碳同素异形体来说是不寻常的。 铁磁性是在碳纳米泡沫中观察到的固有性质，并且可以由其复杂的结构来解释。 材料中的杂质被排除在磁源之外，因为它们不足以观察到强磁化。 研究人员推测，带有未成对电子的嵌入碳原子携带足够的磁矩以导致强磁化。 片状曲率通过分解 π 电子云来定位未配对的电子，并在空间上保护通常反应性太强而无法持久存在的电子。 碳纳米泡沫的铁磁性对时间和温度敏感。 在合成的最初几个小时内，一些磁性会消失，但大部分会持续存在。 碳纳米泡沫可能在利用电子自旋作为进一步自由度的自旋电子设备中有一些应用。

碳纳米泡沫由于其低密度和高表面积可能适用于储氢。 初步实验表明，氢气可以在室温下以可逆过程储存在纳米泡沫中。

合成

碳纳米泡沫簇可以通过在氩气等惰性气体中进行高重复率激光烧蚀来合成。 以高重复率 (10 kHz – 100 MHz) 传送的短 (fs)、低能量 (µJ) 脉冲会产生用于沉积的碳蒸气。 使用雾化碳从室温加热环境气体，这导致腔室中碳的部分密度增加。 在最佳条件下，惰性气体不会冷却，而是在形成周期之间保持高温。 腔室中的后续循环在高于形成 sp2 键合的形成阈值温度的温度下进行。 密度和温度的增加促进了碳质团簇形成的有利条件。 消耗速率超过激光烧蚀的蒸发速率，因此地层处于非平衡状态。