碳，是一種極為常見的化學元素，卻充滿神秘和未知的色彩。堅硬無比的金剛石和質軟滑膩的石墨是碳家族最出名的碳三維晶體；20世紀80年代，科學家首次發(fā)現(xiàn)富勒烯碳（C60），由20個正六邊形和12個正五邊形構成，碳原子以球狀穹頂結構鍵合，熔沸點低，硬度小且絕緣。

20世紀90年代，碳納米管首次被發(fā)現(xiàn)，其特征為由六邊形排列的碳原子構成數(shù)層到數(shù)十層的同軸圓管，層與層之間保持約0.34nm距離，具有高強度、良好的導電傳熱性能；21世紀，英國科學家成功制備出單原子層石墨烯，這種呈六邊形網(wǎng)狀結構，且具有優(yōu)異的光學、電學、力學特性的全新碳材料迅速燃爆全球，成為21世紀最具影響力的新材料！

富勒烯、碳納米管和石墨烯之間存在必然的關聯(lián)。當六邊形結構組成的平面石墨烯片產(chǎn)生缺陷，部分六邊形被五邊形取代時就可以在三維空間內(nèi)卷起來形成足球形狀的富勒烯。同樣，石墨烯六邊形缺陷也可以使其彎曲成圓柱體而產(chǎn)生納米管。

19世紀80年代，德國物理學家赫爾曼·施瓦茨研究了類似于肥皂泡表面的負彎曲（凹面）結構，并在20世紀90年代關于興起了關于碳籠分子的理論研究，人們想象可能同樣存在負彎曲率的碳籠，稱之為Schwarzites碳籠。然而，負曲率碳結構從未被報道。截止目前，正曲率的富勒烯和曲率為零的石墨烯相繼被發(fā)現(xiàn)并成功制備，并分別于1996年和2010年獲得了科學界的無上榮譽——諾貝爾獎。

以沸石為模板來制備碳材料是一種常用的研究手段。最近，韓國和日本科學家利用沸石模板碳（ZTC）成功在沸石的孔內(nèi)形成schwarzite籠狀結構。研究人員在沸石內(nèi)部注入含碳分子的蒸氣，使得碳附著在沸石孔壁上并組裝成類二維石墨烯片。由于比表面吉布斯自由能趨于最小，二維石墨烯片表面被拉緊以達到表面積最小化，形成類似于馬鞍狀的負曲率表面。最終成功獲得了三種新型的碳結構分子。

這一結果立即引起了加州大學伯克利分?；瘜W家們的高度關注，并最終證明這就是一直以來化學家們夢寐以求的schwarzite碳結構。

研究人員使用已知的沸石結構對ZTC結構進行計算，并與瑞士拓撲數(shù)學家合作確定了結構類似的最小表面可用于制造schwarzites碳籠。結果表明，通過選擇合適的沸石可以調(diào)整schwarzites碳籠以優(yōu)化其屬性。研究人員表示，在約200種沸石結構中只有15種可用作制造schwarzites碳籠的模板，而迄今為止只有三種ZTC結構成功制備出 schwarzite碳籠。

基于理論研究，schwarzites碳籠表面應該會攜帶大量的電荷，使其成為性能出色的超級電容器材料；而較大的比表面積可使其用于催化石油和天然氣工業(yè)中的有機反應；較大的內(nèi)部體積可以存儲多種原子和分子?；瘜W家預測schwarzites碳籠將具有獨特的電子學、磁性和光學性質，可被用作超級電容器、電池電極和催化劑，并具有適用于氣體儲存和分離的大型內(nèi)部空間。