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神秘的无定形碳：为何它的结构如此独特？
在材料科学和现代化学中，无定形碳作为一种特殊的碳形式，吸引了无数研究者的目光。这种碳的独特性在于它没有任何晶体结构，这使得它成为一种非常灵活和多变的材料。无定形碳经常被简称为aC，当它与氢结合时，则称为aC:H或氢化无定形碳（HAC）；而四面体无定形碳则被称为ta-C，也被称为类钻碳。在物质科学的领域，无定形碳的研究揭示了多种潜在的应用，从电子设备到生物医学，无定形碳的独特性使它成为了值得深入探讨的材料。
无定形碳材料可能会因为与氢结合而消除犄角的π键，进而稳定其结构。
在矿物学中，无定形碳的名词用来描述煤、碳化物衍生碳以及其他不纯的碳形式。这些物质不属于典型的石墨或钻石。虽然这些材料在结晶学上并不完全无定形，但它们通常是具有石墨或钻石的多晶材料。在商业应用中，无定形碳通常还包含其他元素，这些元素可能会形成显著的晶体杂质，使得无定形碳的性质更加复杂。
随着20世纪下半叶现代薄膜沉积和生长技术的发展，例如化学气相沉积、溅射沉积和阴极弧沉积，真正的无定形碳材料得以制造。这些材料拥有局部的π电子，与石墨的芳香π键相比，这些键的形成长度与碳的其他同素异形体并不一致。无定形碳也包含有相当高的 dangling bonds，这会导致原子间距离的偏差超过5%，同时也可以观察到键角的明显变化。
无定形碳薄膜的特性会根据沉积期间使用的参数而变化。
无定形碳的主要特性分析方法是测量材料中sp2和sp3混合键的比例。石墨完全由sp2混合键组成，而钻石则完全由sp3混合键组成。当材料中sp3混合键的比例较高时，这类无定形碳又被称为四面体无定形碳或类钻碳。这是因为sp3混合键形成的四面形状使得这一类材料拥有许多与钻石相似的物理特性。实验上，sp2到sp3的比例可以通过比较不同光谱峰的相对强度来确定，包括EELS、XPS和拉曼光谱等。
有趣的是，尽管依据sp2到sp3的比例可以表现出无定形碳材料在石墨和钻石之间的一维性质变化，实际上这一说法并不成立。当前的研究正在深入了解无定形碳材料的特性和潜在应用。在日常生活中的氢化碳实体（例如烟雾、烟囱灰、开采的煤如沥青和无烟煤）中都含有大量的多环芳香烃焦油，因此几乎都具有致癌性，这一点不容忽视。
除此之外，近年来的研究还介绍了一种名为Q-carbon的新型无定形碳材料。 Q-carbon简称为退火碳，它被声称拥有铁磁性、导电性，甚至比钻石更坚硬，并且能够展示高温超导性。在2015年，一位名叫Jagdish Narayan的教授及他的研究小组首次宣布了Q-carbon的发现。他们发表了许多关于Q-carbon的合成及特征的论文，然而几年后，这一物质的特性尚未获得独立实验的验证。
根据研究者的说法，Q-carbon呈现出随机的无定形结构，并在sp2和sp3的键合中相互交错。
他们的研究小组通过使用奈秒激光脉冲来熔化碳，再迅速冷却以形成Q-carbon或Q-carbon和钻石的混合物。这一材料可以呈现出多种形式，从纳米针状结构到大型钻石薄膜。他们还报导制造了氮-空位纳米钻石和Q-氮化硼等材料，并创造了在环境温度和压力下将碳转化为钻石的技术。尽管在2018年，德州大学奥斯汀分校的一组研究者利用模拟提出了对Q-carbon的高温超导性、铁磁性及硬度的理论解释，但这些结果并未被他人确认。
无论如何，无定形碳的研究正持续深入探讨，这一特殊形式的碳材料大有可为。未来的发展会如何影响我们的生活和科技，或许只有时间能给我们答案?
