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神秘的無定形碳：為何它的結構如此獨特？
在材料科學和現代化學中，無定形碳作為一種特殊的碳形式，吸引了無數研究者的目光。這種碳的獨特性在於它沒有任何晶體結構，這使得它成為一種非常靈活和多變的材料。無定形碳經常被簡稱為aC，當它與氫結合時，則稱為aC:H或氫化無定形碳（HAC）；而四面體無定形碳則被稱為ta-C，也被稱為類鑽碳。在物質科學的領域，無定形碳的研究揭示了多種潛在的應用，從電子設備到生物醫學，無定形碳的獨特性使它成為了值得深入探討的材料。
無定形碳材料可能會因為與氫結合而消除犄角的π鍵，進而穩定其結構。
在礦物學中，無定形碳的名詞用來描述煤、碳化物衍生碳以及其他不純的碳形式。這些物質不屬於典型的石墨或鑽石。雖然這些材料在結晶學上並不完全無定形，但它們通常是具有石墨或鑽石的多晶材料。在商業應用中，無定形碳通常還包含其他元素，這些元素可能會形成顯著的晶體雜質，使得無定形碳的性質更加複雜。
隨著20世紀下半葉現代薄膜沉積和生長技術的發展，例如化學氣相沉積、濺射沉積和陰極弧沉積，真正的無定形碳材料得以製造。這些材料擁有局部的π電子，與石墨的芳香π鍵相比，這些鍵的形成長度與碳的其他同素異形體並不一致。無定形碳也包含有相當高的 dangling bonds，這會導致原子間距離的偏差超過5%，同時也可以觀察到鍵角的明顯變化。
無定形碳薄膜的特性會根據沉積期間使用的參數而變化。
無定形碳的主要特性分析方法是測量材料中sp2和sp3混合鍵的比例。石墨完全由sp2混合鍵組成，而鑽石則完全由sp3混合鍵組成。當材料中sp3混合鍵的比例較高時，這類無定形碳又被稱為四面體無定形碳或類鑽碳。這是因為sp3混合鍵形成的四面形狀使得這一類材料擁有許多與鑽石相似的物理特性。實驗上，sp2到sp3的比例可以通過比較不同光譜峰的相對強度來確定，包括EELS、XPS和拉曼光譜等。
有趣的是，儘管依據sp2到sp3的比例可以表現出無定形碳材料在石墨和鑽石之間的一維性質變化，實際上這一說法並不成立。當前的研究正在深入了解無定形碳材料的特性和潛在應用。在日常生活中的氫化碳實體（例如煙霧、煙囪灰、開採的煤如瀝青和無煙煤）中都含有大量的多環芳香烴焦油，因此幾乎都具有致癌性，這一點不容忽視。
除此之外，近年來的研究還介紹了一種名為Q-carbon的新型無定形碳材料。Q-carbon簡稱為退火碳，它被聲稱擁有鐵磁性、導電性，甚至比鑽石更堅硬，並且能夠展示高溫超導性。在2015年，一位名叫Jagdish Narayan的教授及他的研究小組首次宣布了Q-carbon的發現。他們發表了許多關於Q-carbon的合成及特徵的論文，然而幾年後，這一物質的特性尚未獲得獨立實驗的驗證。
根據研究者的說法，Q-carbon呈現出隨機的無定形結構，並在sp2和sp3的鍵合中相互交錯。
他們的研究小組通過使用奈秒激光脈衝來熔化碳，再迅速冷卻以形成Q-carbon或Q-carbon和鑽石的混合物。這一材料可以呈現出多種形式，從納米針狀結構到大型鑽石薄膜。他們還報導製造了氮-空位納米鑽石和Q-氮化硼等材料，並創造了在環境溫度和壓力下將碳轉化為鑽石的技術。儘管在2018年，德州大學奧斯汀分校的一組研究者利用模擬提出了對Q-carbon的高溫超導性、鐵磁性及硬度的理論解釋，但這些結果並未被他人確認。
無論如何，無定形碳的研究正持續深入探討，這一特殊形式的碳材料大有可為。未來的發展會如何影響我們的生活和科技，或許只有時間能給我們答案?
| 項目 | 內容 |
|---|---|
| 結構特徵 | 無明確晶體結構，原子排列隨機，短程有序，長程無序 |
| 主要分類 |
|
| 商業應用 | 工業磨料、電子材料、保護塗層、能源產業、環保 |
| 環境影響 | 含多環芳香烴（PAHs），可能致癌 |
| 最新研究 | Q碳（Quenched Carbon）: 據稱具鐵磁性、導電性，硬度高於鑽石，可能展現高溫超導性。製備方法涉及納秒激光脈衝熔化並迅速冷卻碳。 |
| 挑戰 | Q碳的性質尚待實驗驗證，理論模擬提出性質解釋但無獨立確認。 |
| 結論 | 無定形碳具有豐富的結構和性質，未來研究可能揭示更多奧秘，推動材料科學的發展。 |
