碳家族再添新成員！學者發現次晶態金剛石

　　近日，北京高壓科學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的金剛石——次晶金剛石(Paracrystalline diamond)，填補了非晶結構和晶體結構之間原子排列尺度上的缺失環節，為深層次理解非晶材料的復雜結構提供了密鑰。該成果于11月25日在線發表于《自然》雜志。

　　一般來說，根據是否存在長程周期性，將固體分為結晶態和非結晶態。然而，當晶體中的長程有序度顯著降低時，區分這兩種狀態就變得異常困難，特別是對于強共價和類共價固體。

　　為了探索這一結構之謎，理論科學家們提出了次晶態結構模型，其本質上是在非晶基體中引入納米尺寸的中程有序(MRO)結構，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實驗中發現這種物質狀態。

　　緱慧陽與合作者通過其在大腔體壓機中發展的最新極端高壓技術，在30GPa、1500-1600K的溫壓條件下對富勒烯(C60)前驅體進行高溫高壓處理發現，壓縮的富勒烯聚合轉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(尺寸為0.5-1.0nm)，其原子構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C60在高溫高壓條件下結構演變進行了大尺度的分子動力學模擬，建立了與實驗結果高度匹配的次晶金剛石模型。模擬結果顯示，其合成主要歸功于兩個因素：一是由于金剛石具有最大的四面體序參量。與非晶硅相比，非晶金剛石在兩個原子配位殼層內存在超強的類金剛石短程有序性，這一特征有利于中程有序結構的形成;二是依賴于C60的結構特點，C60向次晶金剛石轉變經歷了三個主要階段。

　　“模擬結果顯示，次晶金剛石和非晶金剛石具有顯著的結構差異。二者都不具有長程有序性，且在第一個配位原子層，次晶金剛石和非晶金剛石同時具有相似的有序性。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、美國喬治梅森大學教授生紅衛說。

　　“這種次晶態的發現，在結構拓撲上鏈接了非晶態和晶態，對于揭示非晶材料復雜的結構本質具有深遠意義”，該論文的第一作者、北京高壓科學研究中心博士唐虎告訴《中國科學報》，“次晶金剛石的發現為碳材料家族增加了一種新的結構形態，它兼具優異的機械性能、熱穩定性以及獨特的光學特性，在高端技術領域和極端環境下具有重要的應用前景。有利于進一步開發新型類金剛石材料。”

　　相關論文信息：

　　DOI：10.1038/s41586-021-04122-w