Credit: Vasilii Artyukhov/Rice University

碳炔（carbyne, 亦有譯作“卡拜”、“線型碳”），由單鏈的碳原子連接而成，為目前理論上已知最硬的材料。最近科學家透過理論計算預測，這種新穎材料除了硬，還具備特殊的導電性質，可以藉由拉扯從導體變成半導體甚至是絕緣體！

碳炔是由線型的碳原子排列而成，每個碳可以提供4個價電子來與周圍的原子形成共價鍵，欲形成直鏈的話，理論上在兩兩碳原子間的鍵數可以是2:2（碳原子間都是雙鍵）或者是1:3（以單鍵-參鍵-單鍵-參鍵⋯⋯交錯排列），當碳炔處在弛豫態（relaxed state, 在此意指不受任何其他外力限制或場影響的狀態）時，每組碳碳鍵幾乎是等長，且具備導體的性質。看到這裡，你可能會直覺地認為碳碳間應該都是以雙鍵連接，客官且慢，先別那麼快下結論！

根據派爾斯不穩定性理論（Peieris instability），一維的無限長分子串會傾向於變成一長一短的鍵結來降低總能。那為什麼還會說碳炔是等長的呢？原因在於分子並非處在ㄧ個靜止不動的穩定態，原子的相對位置會振動（在不同鍵長出現的機率可透過分子的位能面決定）而使鍵長變「模糊」。當碳碳鍵結構在1:3和3:1兩種低位能形式間變換（出現機率相同），若是兩者間的位能障礙不大，則碳碳鍵的振動波涵數（nuclei vibrational wavefunction）便可以腳踏兩條船，分佈在1:3和3:1中間的位置上，而不會集中在兩個最低位能點，導致我們觀測到等長的結果（見下圖左）。

不同長度的碳炔位能面示意圖（橫軸代表相鄰兩組碳碳之間的鍵長差）。藍線表示一組碳原子的位能面，紅線表示在該位能面下具有最低能量的原子振動波函數。左圖：當沒有施予碳炔張力時，原子間距較小，1:3和3:1兩種鍵結情況的能障不高，振動波函數可以分佈在兩個最低位能點的中間；右圖：當施予碳炔張力時，原子間距拉大，1:3和3:1兩種鍵結情況的能障變高，振動波函數無法分佈在中間。

大致了解碳炔與它的結構後，再讓我們看看最新的研究。

萊斯大學（Rice University）的Boris I. Yakobson團隊透過理論模擬來研究碳炔[1]，他們將碳炔拉長後計算其導電性質。結果顯示，當碳炔被拉長，其碳碳鍵會趨向於變得不等長（因為1:3和3:1鍵結結構間的位能障礙變高，使得碳碳原子振動無法簡單越過能障，不能腳踏兩條船，只能分佈在其中ㄧ種情形（見上圖右）），價電子帶到導電帶的能量間距（band gap）也會被拉大，令碳炔變得更不易導電。此外，在考慮其導電性時，碳炔兩端怎麼連接到電極也會對結果產生影響。

研究者之一的Artyukhov說道：「在這項研究前，大部份人都認為碳炔應該穩定處在一長一短的鍵結結構，維持絕緣體的狀態；而我們的理論考慮了原子振動帶來的不確定性，使得零點振動成為與派爾斯不穩定性競爭的變因，抵消了派爾斯不穩定性造成的鍵長不等距情形」。藉由調整施予碳炔的張力，我們可以控制這兩個因素的競爭，調整其導電性，讓它從導電相轉移到半導體相。

目前，碳炔在合成上仍存在許多技術問題，使得對碳炔的研究大都停留在理論階段，應用層面也還無法有效發展。未來有ㄧ天，若是碳炔可以成功量產化，其堅硬的性質和特殊的導電變化，將有巨大潛力應用到電子或是其他產業上！

延伸閱讀：

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參考資料：

1. Nano Letters, pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl5017317

資料來源：Carbyne morphs when stretched: Calculations show carbon-atom chain would go metal to semiconductor [PHYS.ORG, July 21, 2014]