近日，族再北京高壓科學(xué)研究中心研究員緱慧陽等在高溫高壓條件下合成了一種新形態(tài)的成員次晶金剛石——次晶金剛石(Paracrystalline diamond)，填補(bǔ)了非晶結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)之間原子排列尺度上的學(xué)者新聞缺失環(huán)節(jié)，為深層次理解非晶材料的發(fā)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)提供了密鑰。該成果于11月25日在線發(fā)表于《自然》雜志。剛石

一般來說，科學(xué)根據(jù)是碳家添新態(tài)金否存在長程周期性，將固體分為結(jié)晶態(tài)和非結(jié)晶態(tài)。族再然而，成員次晶當(dāng)晶體中的學(xué)者新聞長程有序度顯著降低時(shí)，區(qū)分這兩種狀態(tài)就變得異常困難，發(fā)現(xiàn)特別是剛石對(duì)于強(qiáng)共價(jià)和類共價(jià)固體。

為了探索這一結(jié)構(gòu)之謎，科學(xué)理論科學(xué)家們提出了次晶態(tài)結(jié)構(gòu)模型，碳家添新態(tài)金其本質(zhì)上是在非晶基體中引入納米尺寸的中程有序(MRO)結(jié)構(gòu)，即完全由中程有序的次晶組成，又不具有長程有序性。此前，一直未能在自然界或?qū)嶒?yàn)中發(fā)現(xiàn)這種物質(zhì)狀態(tài)。

緱慧陽與合作者通過其在大腔體壓機(jī)中發(fā)展的最新極端高壓技術(shù)，在30GPa、1500-1600K的溫壓條件下對(duì)富勒烯（C60）前驅(qū)體進(jìn)行高溫高壓處理發(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(tuán)簇（尺寸為0.5-1.0nm），其原子構(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。

由亞納米尺寸次晶為主要構(gòu)成次晶金剛石 圖由作者提供

為了探索次晶金剛石的形成過程，研究人員對(duì)C60在高溫高壓條件下結(jié)構(gòu)演變進(jìn)行了大尺度的分子動(dòng)力學(xué)模擬，建立了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度匹配的次晶金剛石模型。模擬結(jié)果顯示，其合成主要?dú)w功于兩個(gè)因素：一是由于金剛石具有最大的四面體序參量。與非晶硅相比，非晶金剛石在兩個(gè)原子配位殼層內(nèi)存在超強(qiáng)的類金剛石短程有序性，這一特征有利于中程有序結(jié)構(gòu)的形成；二是依賴于C60的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，C60向次晶金剛石轉(zhuǎn)變經(jīng)歷了三個(gè)主要階段。

“模擬結(jié)果顯示，次晶金剛石和非晶金剛石具有顯著的結(jié)構(gòu)差異。二者都不具有長程有序性，且在第一個(gè)配位原子層，次晶金剛石和非晶金剛石同時(shí)具有相似的有序性。然而，在中程尺度范圍（2-5原子層），次晶金剛石的有序性雖然在逐步降低，但是有序性遠(yuǎn)高于非晶金剛石。”該論文的共同通訊作者、美國喬治梅森大學(xué)教授生紅衛(wèi)說。

“這種次晶態(tài)的發(fā)現(xiàn)，在結(jié)構(gòu)拓?fù)渖湘溄恿朔蔷B(tài)和晶態(tài)，對(duì)于揭示非晶材料復(fù)雜的結(jié)構(gòu)本質(zhì)具有深遠(yuǎn)意義”，該論文的第一作者、北京高壓科學(xué)研究中心博士唐虎告訴《中國科學(xué)報(bào)》，“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(jī)械性能、熱穩(wěn)定性以及獨(dú)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(jìn)一步開發(fā)新型類金剛石材料。”

相關(guān)論文信息：

DOI：10.1038/s41586-021-04122-w