一高校发现地球上已知最大天然“碳洋葱”

近日，位于江苏徐州的中国矿业大学

发现外径约55纳米的天然洋葱状富勒烯

即“碳洋葱”

这是目前地球上发现的

最大的天然“碳洋葱”

什么是“碳洋葱”？

“碳洋葱”是一种巨型富勒烯，由若干层同心球状的石墨壳层嵌套而成，因其与洋葱具有类似的同心多层结构而得名。

“碳洋葱”具有良好的电子、光学、电磁和摩擦学性能，广泛应用于航空航天、能源、生物医药、环境修复等领域。

关于“碳洋葱”的探索

在实验室中通过不同途径制备碳洋葱早已屡见不鲜, 由此引起了人们在不同地质环境中寻找天然碳洋葱的浓厚兴趣。然而, 迄今为止天然碳洋葱仅见于地球上的零星地质样品: 碳质球粒陨石、烟煤、硅质热液脉体、过成熟页岩、冲击金刚石、桑加岩和富碳变质沉积岩。此外, 富碳变质沉积岩、煤层和桑加岩中天然碳洋葱的形成机制尚不清楚。

中国矿业大学资源与地球科学学院地质系副教授陈义林介绍， 新发现的这个“碳洋葱”的外径最大可以达到55纳米，这是目前世界上报道的自然界“碳洋葱”中外径最大的。 现在报道的天然“碳洋葱”外径一般在20~30纳米左右，最大外径不超50纳米。

天然“碳洋葱”的成因

永安煤田二叠系含煤地层中广泛分布花岗斑岩侵入体和石英热液脉体, 采集的构造煤样中裂隙和摩擦镜面极其发育, 镜质体最大反射率值介于4.0~9.5%。

煤中天然碳洋葱有单核或多核(图2), 具有24~46个石墨壳层, 外径范围为24~55nm; 其外径、石墨壳层数量与镜质体最大反射率之间呈显著正相关性(图3), 指示碳洋葱是岩浆侵入导致的煤变质过程中形成的次生产物。该研究团队认为岩浆热变质煤中的天然碳洋葱是化学气相沉积成因。

研究人员在福建永安煤田采集了15件无烟煤样品，鉴定发现其中7件存在“碳洋葱”，并首次发现天然的多核“碳洋葱”。此次团队在煤田发现天然“碳洋葱”，对今后寻找并进一步开发天然“碳洋葱”有启发意义。

研究人员还发现了大量石墨状热解碳充填在煤岩裂隙或孔洞中(图4), 这些热解碳是在侵入体导致的煤高温结焦过程中气相沉积而成的新生组分。因此, 该研究团队推测化学气相沉积合成的天然碳洋葱类似于热解碳, 优先充填裂隙或孔洞。这可能是永安煤田岩浆热变质煤中天然碳洋葱分布不均的主要原因。

陈义林表示：“天然‘碳洋葱’在自然界不像以前所想的那么稀缺，有可能在岩浆接触变质煤、煤系石墨、天然焦里面比以前更广泛存在，这是我们下步要去研究的工作。”

该研究得到国家自然科学基金项目和江苏高校优势学科建设工程项目资助。