碳材料家族再添新成員

11月25日，國際頂級學(xué)術(shù)期刊Nature在線發(fā)表了來自中國科學(xué)家的兩篇研究論文，一篇是北京高壓科學(xué)研究中心研究員緱慧陽等合成了一種新形態(tài)的金剛石——次晶金剛石，另一篇是吉林大學(xué)劉冰冰教授團隊實現(xiàn)了毫米級近全sp3非晶碳塊體材料的合成，標志著碳材料家族再添兩位新成員。

尋找新型碳材料一直是材料領(lǐng)域的前沿科學(xué)問題。作為自然界中最豐富的元素之一，碳具有多種雜化成鍵方式，形成的碳材料結(jié)構(gòu)豐富、性質(zhì)迥異，應(yīng)用也極為廣泛。因此，幾乎每一種新碳材料的發(fā)現(xiàn)都引發(fā)了研究熱潮。

北京高壓科學(xué)研究中心研究人員合成的次晶金剛石，填補了非晶結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)之間原子排列尺度上的缺失環(huán)節(jié)，為深層次理解非晶材料的復(fù)雜結(jié)構(gòu)提供了密鑰。

次晶態(tài)結(jié)構(gòu)模型本質(zhì)上是在非晶基體中引入納米尺寸的中程有序結(jié)構(gòu)。此前，一直未能在自然界或?qū)嶒炛邪l(fā)現(xiàn)這種物質(zhì)狀態(tài)。北京高壓科學(xué)研究中心研究人員通過其在大腔體壓機中發(fā)展的最新極端高壓技術(shù)，在30 GPa、1 500 K～1 600 K的溫壓條件下對富勒烯前驅(qū)體進行高溫高壓處理。壓縮的富勒烯聚合轉(zhuǎn)變成為一種高密度無序的sp3鍵合的碳。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簇，原子構(gòu)型接近于立方和六方金剛石，且具有很高的晶格畸變，即次晶金剛石。

次晶金剛石的發(fā)現(xiàn)為碳材料家族增加了一種新的結(jié)構(gòu)形態(tài)，它兼具優(yōu)異的機械性能、熱穩(wěn)定性以及獨特的光學(xué)特性，在高端技術(shù)領(lǐng)域和極端環(huán)境下具有重要的應(yīng)用前景，有利于進一步開發(fā)新型類金剛石材料。

無獨有偶，吉林大學(xué)研究人員合成的毫米級近全sp3非晶碳塊體材料，也采用了自主發(fā)展的大腔體壓機超高壓關(guān)鍵技術(shù)。他們采用富勒烯碳籠壓致塌縮形成“非晶碳團簇”這一新的構(gòu)筑基元，在更高溫壓區(qū)間反應(yīng)合成全sp3碳塊體非晶材料的研究思路，在苛刻的溫壓條件下，合成出高質(zhì)量、毫米級、透明的近全sp3非晶碳，sp3碳含量最高可達97.1%。

此外，為突破商用大腔體壓機的壓力極限，研究人員利用國產(chǎn)的硬質(zhì)合金壓砧突破了商用Walker型大腔體壓機的壓力極限，發(fā)展了大腔體壓機毫米級樣品腔超高壓產(chǎn)生的關(guān)鍵技術(shù)，在高溫條件下實現(xiàn)了高達37萬大氣壓的超高壓力，并借此技術(shù)首次成功實現(xiàn)了毫米級近全sp3非晶碳塊體材料的合成。

此項突破性成果被Nature審稿人評價為“世界上很少有研究小組的大腔體壓機技術(shù)能夠達到這么高的溫壓條件”“非晶材料領(lǐng)域的重大進展”“為超硬材料家族添加了獨特的一員”，“提供了新穎的物理特性表征，對凝聚態(tài)物理和化學(xué)領(lǐng)域都是原創(chuàng)且極其有趣的”。