金刚石新型态

深蓝色的畅想

北京高压科学研究中心缑慧阳研究员团队及其合作者利用高温高压手段首次制备了一种新型态的金刚石—次晶态金刚石，该形态是科学家们一直寻找的具有中程有序结构的金刚石。此外，次晶态金刚石显示出优越的力学性能和热稳定性，在高端技术领域和极端环境应用领域具有重要的应用前景，相关成果发表于国际期刊《自然》上。

通常情况下，根据是否存在长程周期性，固体被分为结晶态和非结晶态。当晶体的长程有序度显著降低时，理解这两种状态之间的差别变得异常困难，特别是对于强共价和类共价固体。因此，理论科学家们提出了一种“次晶态结构模型” — 这种“次晶模型”本质是在非晶基体中引入纳米尺寸的次晶晶格来解释非晶态晶体的中程有序结构。然而，现实中是否真的存在由中程有序的次晶组成，而又不具有长程有序的非晶态物质呢？

该研究团队使用富勒烯（C60）作为原料通过自主开发的大腔体压机极端高压技术对富勒烯进行高温高压（30 GPa，1500-1600 K）处理，发现压缩的富勒烯聚合转变成为一种高密度无序以sp3键结合的碳。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（尺寸为0.5-1.0 nm），其原子构型接近于立方和六方金刚石并且具有很高的晶格畸变，这种由亚纳米尺寸次晶为主要构成的金刚石被称为次晶金刚石（Paracrystalline diamond）。他们进一步用大尺度分子动力学模拟证实了这种隐藏的结构有序性，建立了与实验结果高度匹配的次晶金刚石模型。

“次晶金刚石的形成主要归功于金刚石具有最大的四面体序参量”，缑慧阳研究员解释道：“与非晶硅相比，非晶金刚石在两个原子配位壳层内存在超强的类金刚石短程有序性，这一特征有利于中程有序结构的形成。另外次晶金刚石的合成还高度依赖于富勒烯前驱物的本身结构特点”。