碳元素是自然界中最为广泛分布存在的元素之一。了解碳原子之间的基本化学键构型是我们设计和研究碳晶体结构的基础。从简单碳氢化合物中我们可以得到四种基本碳碳键构型：乙烷（H₃C-CH₃）碳碳单键，乙烯（H₂C=CH₂）碳碳双键，乙炔(HC≡CH)碳碳三键以及苯环大π键结构。单质碳通常以石墨和金刚石两种晶型存在。苯基大π键结合构成稳定的两维石墨烯，烷基碳碳结合形成稳定的三维金刚石，炔基碳碳结合形成碳原子链（图1）。近年来，零维C₆₀富勒烯球、一维碳纳米管以及一维碳炔链的发现和合成更加激发了人们探索新的碳结构的兴趣。另一方面有关三维碳烯结构的研究始终未取得满意的进展，尽管人们先后提出了类SrSi₂和ThSi₂三维碳烯结构，但是均因结构的不稳定性而被备受质疑。
　　压力作用下通过二维层状石墨烯的褶皱和层间重构可以形成三维金刚石结构，同样通过一维碳炔链的折叠和重构可以形成三维碳烯。最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）王建涛研究员及其合作者北京大学王恩哥教授、美国内华达大学陈长风教授以及日本东北大学川添良幸教授通过第一性原理计算系统地研究了一维碳炔链在不同的折叠方式下形成碳烯晶体的机制，提出了新的由三折、四折和六折螺旋碳链构成的三维碳烯晶体结构模型。其中三重折叠和四重折叠三维晶体结构由反向手性碳链组成（图2），六重折叠三维晶体结构由单一手性碳链组成（图3），分别具有R-3m，I4₁/amd和R-3m对称性。这些三折、四折和六折螺旋碳烯晶体结构也可以看做是环辛二烯（1,5-cyclooctadiene,C₈H₁₂），环辛四烯（1,3,5,7-cyclooctatetraene,C₈H₈）以及苯（C₆H₆）的聚合物。声子谱和能带计算表明这些螺旋碳烯晶体结构动力学结构稳定并呈现半导体特性。三折、四折和六折碳烯的带隙分别为2.95 eV，2.41 eV和0.47 eV。通过和以往报道的X-线衍射实验数据的详细比对分析发现六重折叠三维螺旋碳烯晶体结构可能存在于爆炸形成的炭灰残留物中，在30度附近存在一个显著的衍射峰。三维螺旋碳烯晶体结构的提出，形成了一个从零维的富勒烯球、一维的碳纳米管、二维的石墨烯以及三维的螺旋碳烯的完整的碳烯结构系列。这些结果对全面理解碳晶体构型及有关物性具有广泛的科学意义。相关研究结果发表在2013年10月29日和2014年3月11日出版的Scientific Reports 3,3077 (2013)和Scientific Reports 4,4339 (2014)上。
    该工作得到了国家自然科学基金委的支持。
相关工作链接：
1.New Carbon Allotropes with Helical Chains of Complementary Chirality Connected by Ethene-typeπ-Conjugation
http://www.nature.com/srep/2013/131029/srep03077/full/srep03077.html 
2.A New Carbon Allotrope with Six-Fold Helical Chains in all-sp2 Bonding Networks
http://www.nature.com/srep/2014/140311/srep04339/full/srep04339.html

图1：典型碳氢化合物和碳晶体结构的对应关系。乙炔(HC≡CH)对应于碳炔链；乙烯（H2C=CH2）、丁二烯（H2C=CH-HC=CH2）对应于碳炔晶体结构；甲烷（CH4）、乙烷（H3C-CH3）对应于金刚石；苯对应于石墨烯。

图2：三重折叠（a）和四重折叠（b）三维螺旋碳烯结构。S和R分别表示左手性和右手性碳螺旋。三重折叠和四重折叠碳烯晶体结构也可以看做是环辛二烯（1,5-cyclooctadiene，C8H12）和环辛四烯（1,3,5,7-cyclooctatetraene，C8H8）的聚合物，分别具有R-3m和I41/amd对称性。

图3：六重折叠三维螺旋碳烯结构（a，b）。R和6分别表示右手性（或左手性）碳螺旋链和苯环。六重折叠碳烯具有R-3m对称性，也可以看做是苯（C6H6）的聚合物或扭曲的三维石墨构型（c）。