材料的性质取决于其原子如何键合以及这些键所产生的结构排列。例如，对于基于碳的材料，键的类型使具有三维“ sp3”键的金刚石的硬度与具有二维“ sp2”键的石墨的柔软度有所不同。
碳是宇宙中含量第四高的元素，是我们所知道的生命基础。无论是单独使用还是与其他元素一起使用，都拥有无与伦比的稳定结构的能力。
卡内基科学研究所最新预测并合成了具有可调节的机械和电子性能的，广受欢迎的“超级金刚石”碳基材料。相关研究结果发表在《科学进展》。
卡内基的蒂姆·斯特罗贝尔（Tim Strobel）和李柱领导的一个团队使用先进的结构搜索工具预测了第一个热力学稳定的碳基笼形物，然后合成了笼形物结构，该结构由捕获锶原子的碳硼笼子组成。
图片提供：蒂姆·斯特罗贝尔（Tim Strobel）。
尽管碳化合物种类繁多，但只有少数3维sp3键结合的碳基材料是已知的，包括金刚石。由于包括强度，硬度和热导率在内的一系列特性，三维粘结结构使这些材料在许多实际应用中非常有吸引力。
研究人员解释到，除了钻石及一些包含其他元素的类似物，几乎没有其他可扩展的sp3碳材料被创造出来，尽管对这种键合可能合成的结构有许多预测，遵循化学原理表明向结构中添加硼将增强其稳定性，我们研究了另一种3D键合的碳材料，称为笼形物，其笼形结构捕获了其他类型的原子或分子。
由其他元素和分子组成的包合物是常见的，并且已经在自然界中合成或发现。长期以来一直预测碳基笼形物的存在，研究人员尝试合成它们超过50年但至今尚未成功。
研究小组通过组合的计算和实验方法解决了这个问题。
他们使用先进的结构搜索工具预测了第一个热力学稳定的碳基笼形物，然后合成了笼形物结构，该结构由在高压和高温条件下捕获锶原子的碳硼笼子组成。
结果合成出具有钻石状粘合力的3D碳基骨架，可恢复到环境条件。但是与钻石不同的是，笼子中捕获的锶原子使材料具有金属性，意味着它在高温下具有超导性，可以导电。
此外笼形物的性质可能会根据笼子中客体原子的类型而变化。
斯特罗贝尔说：“被困的原子与宿主的笼子有很强的相互作用。根据存在的特定客体原子，可以将包合物从半导体调整为超导体，同时保持牢固的类金刚石键。鉴于存在大量可能的替代物，我们设想了一种全新的碳基材料具有高度可调的属性。”