碳材料家族再添新成员

  中化新网讯 北京时间11月25日,国际顶级学术期刊Nature在线发表了来自中国科学家的两篇研究论文,一篇是北京高压科学研究中心研究员缑慧阳等合成了一种新形态的金刚石——次晶金刚石,另一篇是吉林大学刘冰冰教授团队实现了毫米级近全sp3非晶碳块体材料的合成,标志着碳材料家族再添两位新成员。

  寻找新型碳材料一直是材料领域的前沿科学问题。作为自然界中最丰富的元素之一,碳具有多种杂化成键方式,形成的碳材料结构丰富、性质迥异,应用也极为广泛。因此,几乎每一种新碳材料的发现都引发了研究热潮。

  北京高压科学研究中心研究人员合成的次晶金刚石,填补了非晶结构和晶体结构之间原子排列尺度上的缺失环节,为深层次理解非晶材料的复杂结构提供了密钥。

  次晶态结构模型本质上是在非晶基体中引入纳米尺寸的中程有序结构。此前,一直未能在自然界或实验中发现这种物质状态。北京高压科学研究中心研究人员通过其在大腔体压机中发展的最新极端高压技术,在30GPa、1500~1600K的温压条件下对富勒烯前驱体进行高温高压处理。压缩的富勒烯聚合转变成为一种高密度无序的sp3键合的碳。高分辨透射电子显微镜显示,样品中存在高密度且均匀分布的类晶体团簇,原子构型接近于立方和六方金刚石,且具有很高的晶格畸变,即次晶金刚石。

  次晶金刚石的发现为碳材料家族增加了一种新的结构形态,它兼具优异的机械性能、热稳定性以及独特的光学特性,在高端技术领域和极端环境下具有重要的应用前景,有利于进一步开发新型类金刚石材料。

  无独有偶,吉林大学研究人员合成的毫米级近全sp3非晶碳块体材料,也采用了自主发展的大腔体压机超高压关键技术。他们采用富勒烯碳笼压致塌缩形成“非晶碳团簇”这一新的构筑基元,在更高温压区间反应合成全sp3碳块体非晶材料的研究思路,在苛刻的温压条件下,合成出高质量、毫米级、透明的近全sp3非晶碳,sp3碳含量最高可达97.1%。

  此外,为突破商用大腔体压机的压力极限,研究人员利用国产的硬质合金压砧突破了商用Walker型大腔体压机的压力极限,发展了大腔体压机毫米级样品腔超高压产生的关键技术,在高温条件下实现了高达37万大气压的超高压力,并借此技术首次成功实现了毫米级近全sp3非晶碳块体材料的合成。

  此项突破性成果被Nature审稿人评价为“世界上很少有研究小组的大腔体压机技术能够达到这么高的温压条件”“非晶材料领域的重大进展”“为超硬材料家族添加了独特的一员”,“提供了新颖的物理特性表征,对凝聚态物理和化学领域都是原创且极其有趣的”。

  链 接

  从材料形态和原子排列的有序度分类,碳材料可分为长程有序的晶态碳以及无序的非晶碳。石墨和金刚石就是典型的碳晶体,分别由碳原子通过全sp2成键和全sp3成键形成。正是由于碳原子杂化方式不同,金刚石与柔软的石墨性质差异极大。全sp3键的金刚石不仅硬度最高,还是集高热导、宽透光频带、宽禁带等多种优异性能于一体的多功能材料,被称为“工业牙齿”。而非晶碳材料,目前主要是以sp2键为主形成的无定型碳,具有与石墨相似的柔软、导电等特性。然而,合成与金刚石结构、性质相对应的,由全sp3键形成的非晶碳块体材料却一直未能实现,是碳材料领域长期未能突破的科学难题。

  近年来,非晶材料因展现出如各向同性等不同于晶态材料的显著特点,越来越受到人们的关注。探索新型非晶材料,建立结构与物性之间的关联,是非晶材料领域的重要课题。全sp3非晶碳块体材料的合成对非晶材料领域也具有重要意义。

关键字:次晶金刚石
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