2021年11月29日 09:58
【科學快訊】
鑽石，或者說經過精心打磨的金剛石，見證了無數人的愛情。而現在，中國科學家見證了前所未有的「愛情信物」——兩種全新的鑽石形態。
事實上，對於材料學家來說，金剛石這種材料多少有一點令人煩惱——作為自然界硬度最高的材料，它卻有著與此不相符的脆弱性，在應對壓力時有可能碎裂。這樣的特性限制了金剛石的應用場景。
如何讓這種「最硬材料」變得更加堅不可摧？在最新一期《自然》雜志中，兩支中國團隊同時發力，分別獨立實現了非晶態與次晶態金剛石的合成——這也是科學家首次在宏觀尺度上合成這兩種材料，為一系列潛在的應用奠定了基礎。
首先我們需要知道的是：金剛石明明這麼硬，為什麼卻容易碎裂？這要從金剛石的原子排列方式說起。金剛石中的碳原子以sp3雜化的形式整齊、有序地排列，構成了標准的正四面體。這樣的排列方式在賦予金剛石精美外貌的同時，也讓它們付出了脆弱的代價。長程有序的晶體存在應力弱點；相反，原子無序排列的材料可以更平均地承受應力。
因此，如果能在通過sp3雜化保留硬度的同時，合成非晶態或是中程有序的次晶態的金剛石，那麼脆弱性的問題或許將迎刃而解了。
本周，《自然》雜志的兩篇論文實現了這一目標。其中一項研究由北京高壓科學研究中心和美國喬治梅森大學的科學家領導，他們合成了次晶態的金剛石；而在另一項研究中，來自吉林大學的研究團隊合成了非晶態的金剛石。
最新研究中合成的非晶態金剛石（左）與次晶態金剛石（右）
這兩項獨立開展的研究使用了相同的反應物前驅物：富勒烯，也就是我們熟悉的碳60。選擇富勒烯的一個重要原因在於，一個富勒烯分子包含了12個五邊形，而五邊形是無法形成周期性的晶體結構的，因此在富勒烯的基礎上更可能形成非晶態或次晶態的物質。此前的研究已經證實，在13~25 GPa的壓力條件下，富勒烯可以轉變為聚合態，此時sp2與sp3雜化的碳原以無序的狀態共存。
「近些年來，大體積多砧壓機技術的發展使得我們可以在30~50 GPa的更高壓力條件下研究材料的結構演變，並獲得擁有新結構、新性能的材料。」第一篇論文的共同通訊作者，北京高壓科學研究中心的緱慧陽研究員介紹道。
在最新研究中，緱慧陽研究員等人正是在30 GPa的高壓條件下，研究富勒烯等前驅體在不同溫度下的演化過程。
在30 GPa的壓力條件下，聚合的富勒烯首先塌縮、喪失原有的結構，隨後隨著溫度上升（例如達到1600 K），轉變成為新的結構。那麼，這個新的結構就是金剛石嗎？
為了驗證這一點，研究團隊綜合使用了X射線衍射、高分辨率透射電子顯微鏡、分子動力學模擬，確認了反應後的材料包含了中程有序排列的sp3雜化的碳原子，這說明毫米尺寸的次晶態金剛石已經誕生。隨後的硬度測試也發現，這種新型材料的硬度與天然金剛石相當。
反應產物中的次晶體結構
而在另一項研究中，來自吉林大學的劉冰冰教授團隊通過類似的手段，合成了非晶質的金剛石。這支團隊使用的前驅體同樣是富勒烯，他們利用碳60塌縮形成的結構單元，探索了其在20~37 GPa之間的反應相圖。在這樣的條件下，反應合成了毫米級的非晶質金剛石，其中sp3碳的比例可以達到97.1%。這種新型材料的硬度與抵抗形變的能力與天然金剛石相當，是已有的非晶質材料中硬度、熱導率最高的。
這兩項研究不僅為龐大的碳家族添加了兩個全新的成員，還為更多應用提供了可能性。正如文章開頭所述，相比於常規的晶體金剛石，次晶態與非晶態的金剛石有著更強大的力學性質。此外，它們的熱穩定性也更優越，因此在精細加工和一些極端環境中或將擁有廣闊的應用前景。而在緱慧陽研究員看來，次晶金剛石的另一個意義在於，它從結構拓撲上連接了非晶態和晶態，對於解釋共價非晶材料的複雜結構具有深遠意義。
在同期的新聞觀點文章中，法國裏昂第一大學的Alfonso San-Miguel教授表示，此次的新發現還有可能推動新型碳碳納米複合材料的誕生，這類具有可調節的熱、電、光學與力學性質的材料將具有廣闊的應用前景。
