11月24日，Nature分別發(fā)表了兩個(gè)科研團(tuán)隊(duì)合成非晶態(tài)（次晶態(tài)）金剛石（碳材料）的科研成果，主導(dǎo)團(tuán)隊(duì)分別來自吉林大學(xué)超硬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（題目Ultrahard bulk amorphous carbon from collapsed fullerene）和北京高壓科學(xué)技術(shù)先進(jìn)研究中心（題目Synthesis of paracrystalline diamond）。

研究人員使用多砧壓機(jī)將富勒烯 C60 轉(zhuǎn)化為金剛石玻璃，類似于在高壓設(shè)備中將石墨轉(zhuǎn)化為金剛石的過程。

據(jù)悉，吉林大學(xué)超硬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉冰冰教授團(tuán)隊(duì)合成的塊體非晶碳，品質(zhì)極高， sp碳含量最高可達(dá)97.1%，光學(xué)帶隙可高達(dá)2.7eV；維氏硬度值達(dá)102GPa（9.8N載荷），可與金剛石媲美；熱導(dǎo)率達(dá)26W/mK，是目前非晶材料中發(fā)現(xiàn)的硬度、熱導(dǎo)率最高的材料。

為了破解這一難題，劉冰冰教授團(tuán)隊(duì)從2017年就開始攻關(guān)大腔體壓機(jī)超高壓技術(shù)，最終利用國(guó)產(chǎn)的硬質(zhì)合金壓砧打破了商用Walker型大腔體壓機(jī)的壓力極限，發(fā)展了大腔體壓機(jī)毫米級(jí)樣品腔超高壓產(chǎn)生關(guān)鍵技術(shù)，在高溫條件下實(shí)現(xiàn)了高達(dá)37萬大氣壓的超高壓力，借此技術(shù)成功獲得了毫米級(jí)近全sp3非晶碳?jí)K材。“我們合成的超硬非晶碳?jí)K材具有極高的硬度，可以獨(dú)立應(yīng)用于不同領(lǐng)域，有著廣泛的應(yīng)用前景。”該研究第一作者尚宇琛博士介紹，“比如，用于切割磨削工具，有望直接加工并鑲嵌在刀具上，提高加工效率。”

“此外，非晶的無序結(jié)構(gòu)使其表面更光滑，無各向異性，具備更好的可塑性，可以加工成任意形狀，有望實(shí)現(xiàn)高精密切割與拋光。光學(xué)窗口方面，我們合成的樣品塊體硬度高、透光性好，有望直接加工成紅外光、X光等窗口。此外，我們合成的塊體非晶碳材料還具有半導(dǎo)體性質(zhì)，其光學(xué)帶隙可以隨著sp3含量的增加，進(jìn)行大范圍的調(diào)控（1.8-2.7eV），因此在太陽能電池、光伏半導(dǎo)體、光電探測(cè)領(lǐng)域均有潛在應(yīng)用價(jià)值。”

次晶金剛石由占主導(dǎo)地位的亞納米尺寸的次晶（立方和六角形）組成，這些次晶具有明確的晶體中程有序度，最高可達(dá)幾個(gè)原子層。

北京高壓科學(xué)研究中心緱慧陽研究員團(tuán)隊(duì)使用富勒烯（C60）作為原料通過自主開發(fā)的大腔體壓機(jī)極端高壓技術(shù)對(duì)富勒烯進(jìn)行高溫高壓（30 GPa，1500-1600 K）處理，發(fā)現(xiàn)壓縮的富勒烯聚合轉(zhuǎn)變成為一種高密度無序以sp3鍵結(jié)合的碳。高分辨透射電子顯微鏡顯示樣品中存在高密度且均勻分布的類晶體團(tuán)簇（尺寸為0.5-1.0 nm），其原子構(gòu)型接近于立方和六方金剛石并且具有很高的晶格畸變，這種由亞納米尺寸次晶為主要構(gòu)成的金剛石被稱為次晶金剛石（Paracrystalline diamond）。他們進(jìn)一步用大尺度分子動(dòng)力學(xué)模擬證實(shí)了這種隱藏的結(jié)構(gòu)有序性，建立了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度匹配的次晶金剛石模型。

次晶態(tài)金剛石顯示出優(yōu)越的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性，在高端技術(shù)領(lǐng)域和極端環(huán)境應(yīng)用領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。次晶金剛石的發(fā)現(xiàn)不僅豐富了碳材料的結(jié)構(gòu)形態(tài)而且有利于進(jìn)一步開發(fā)新型類金剛石材料。重要的是，這種次晶態(tài)的存在從結(jié)構(gòu)拓?fù)渖湘溄臃蔷B(tài)和晶態(tài)，對(duì)于揭示共價(jià)非晶材料的復(fù)雜結(jié)構(gòu)具有深遠(yuǎn)意義。

編譯整理 YUXI

版權(quán)聲明：  

本文為粉體圈原創(chuàng)作品，未經(jīng)許可，不得轉(zhuǎn)載，也不得歪曲、篡改或復(fù)制本文內(nèi)容，否則本公司將依法追究法律責(zé)任。