液态金属中碳化学形态与聚合机制：金属碳化物向金属石墨烯转化的热力学与光谱学研究

本研究针对液态金属中碳基材料合成的关键科学问题，通过结合ab initio分子动力学(AIMD)、导体类溶剂化模型(COSMO)和非弹性中子散射(INS)技术，系统研究了铝、铜、银液态体系中金属碳化物(Metalocarbons)的化学形态、聚合热力学及结构特征。研究发现低分子量金属碳化物可自发聚合成热力学更稳定的金属石墨烯(Metalographenes)，并通过实验验证了铝共析材料中存在芳香环结构的铝石墨烯。该研究为石墨烯生产、可持续材料设计和能源存储应用提供了新方法。

　　

在材料科学领域，如何高效合成高性能碳基材料一直是研究者们追逐的圣杯。传统的高温气相法或固态催化法不仅能耗高、可扩展性差，更难以精确控制碳材料的微观结构。特别令人困惑的是，某些金属-碳复合材料（如covetic materials）在熔点以上仍能保持单相结构，暗示着液态金属中可能存在独特的碳-金属相互作用机制。然而，由于缺乏标准化的合成方案和反应机理认知，这些材料的可重复制备和理性设计长期受阻。

针对这一挑战，来自未知机构的研究团队在《Carbon Trends》发表了一项突破性研究，通过多尺度计算方法与实验验证相结合，首次系统揭示了液态金属中碳化学形态演变和聚合的热力学规律。研究创新性地将ab initio分子动力学(AIMD，一种基于量子力学的分子模拟方法)、导体类溶剂化模型(COSMO，用于模拟溶剂化效应的计算方法)和非弹性中子散射(INS，研究材料振动特性的光谱技术)三大技术有机结合，建立了从原子尺度理解金属-碳相互作用的全新研究范式。

关键技术方法包括：采用AIMD模拟液态铝(2160°C)、铜(1100°C)和银(1300°C)体系中碳物种的长期演化；通过COSMO-DFT计算金属碳化物的热力学性质；利用VISION谱仪测定铝共析材料的INS振动光谱；结合Mulliken电荷分析和径向分布函数解析金属-碳键合特性。研究对象包括实验室合成的含3wt%碳的铝共析材料，以及理论构建的Al₄C至Al₃₀C₁₂₆等系列金属碳化物模型。

金属碳化物形态与结构
通过AIMD长期模拟发现，液态金属中形成的金属碳化物具有碳-碳和金属-碳共价键特征。碳-碳键长1.32±0.17?符合共轭双键特征，而铝-碳、铜-碳、银-碳键长分别为2.12±0.24?、2.55±0.27?和2.97±0.31?。独特的配位几何分析表明，这些金属碳化物在电场梯度下呈现阴离子特性，其漂移速度与扩散系数具有明显的方向依赖性。

溶剂化模型验证
研究证实COSMO隐式溶剂化模型计算的热力学性质与AIMD显式溶剂模拟结果高度一致，验证了该模型在金属溶液体系中的适用性。这种一致性为大规模计算金属碳化物反应热力学提供了可靠方法，避免了昂贵的全原子模拟。

氧化还原聚合热力学
热化学分析揭示了金属石墨烯比小分子金属碳化物更稳定的本质原因。中性金属碳化物聚合反应平衡常数在铝、铜、银体系中分别为1.0-1.9、1.1-2.3和9.4-110，且随分子量增加而增大。特别值得注意的是，还原条件下的阴离子聚合反应平衡常数可达184,000（银体系），表明电荷状态对聚合过程具有决定性影响。

铝共析材料中的金属碳化物
通过INS光谱首次在体相材料中检测到芳香环结构的铝石墨烯特征峰。理论计算显示，6×6(Al₃₂C₉₆)和7×7(Al₃₀C₁₂₆)稠环结构的振动谱与实验光谱匹配度达99%，而线性烯烃结构的预测谱图与实验不符，确证了共析材料中存在扩展的芳香环系统。

这项研究建立了液态金属中碳材料合成的新范式，其重要意义体现在三个方面：首先，理论预测与实验验证的结合为金属-碳复合材料提供了可靠的结构鉴定方法；其次，揭示的聚合热力学规律为定向合成特定尺寸的金属石墨烯提供了理论指导；最后，开发的电化学辅助合成方法相比传统工艺更具可持续性。特别值得关注的是，该研究发现的材料性能提升显著——铝共析材料硬度提高127%，电导率提升6.5%，这些特性使其在航空航天、电子器件等领域的应用前景广阔。未来研究可进一步探索不同金属体系的普适性规律，并开发基于这些原理的规模化生产工艺，推动碳基材料制造的技术革新。