拓扑碳同素异形体：材料创新的范式转变

拓扑是数学的核心概念，它使我们能够区分两个孤立的环与相互连接的环。在材料科学中，研究者发现了以笼、管和片形式存在的拓扑不同的碳同素异形体，它们具有由晶体群论描述的独特平移和旋转对称性，并且原子在三维（$D$）空间中的特定刚性位置排列。然而，拓扑序必须对抗形变保持鲁棒，从而我们可以制造完全不同的拓扑材料族。在此，我们利用碳原子的共价 $\sigma$ 键提出各种拓扑结构，如纽结和链接，同时允许使用弱 $\pi$ 键的各种拓扑等价排列。通过扩展这一思想，我们发明了一种新的三维碳同素异形体——Hopfene，它具有 Hopf 链接的周期阵列，可将水平的石墨烯片编织成垂直的石墨烯片而无需通过 $\sigma$ 键连接。