近日，北海道大學(xué)、北陸先端科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)（JAIST）與京都大學(xué)聯(lián)合發(fā)布研究成果：他們首次實驗證實，一種由兩個氮原子和一個碳原子組成的二價陰離子“亞胺碳離子（Carbodiimide Ion，NCN^2-）”構(gòu)成的“超級陶瓷”材料，在僅使用研缽和研杵手動研磨的情況下即可發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)的相變。這一突破有望為陶瓷材料的應(yīng)用帶來全新可能。

只需用研缽和研杵研磨即可改變晶體結(jié)構(gòu)，粉碎后顏色會發(fā)生變化，成為紅色熒光粉

研究團隊開發(fā)了一種新型的亞胺碳化合物Ba_0.9Sr_0.1NCN，其在常溫常壓下呈“馬爾卡石型結(jié)構(gòu)”（類似礦物馬爾卡石FeS₂的晶體結(jié)構(gòu)），通過高壓實驗和手動研磨，均可誘導(dǎo)其轉(zhuǎn)變?yōu)椤奥然C型結(jié)構(gòu)”。這一結(jié)構(gòu)相變伴隨著材料顏色的變化，并在摻雜Eu²⁺離子后表現(xiàn)出從無光到紅色熒光體的轉(zhuǎn)變，為刺激響應(yīng)型發(fā)光材料的開發(fā)打開新局。

傳統(tǒng)陶瓷材料如金屬氧化物通常具有高硬度和高穩(wěn)定性，一般只有在高溫高壓等極端條件下才會發(fā)生結(jié)構(gòu)變化。但此次研究所提出的“超級陶瓷”材料則截然不同。該材料中引入了由多個原子組成的分子型陰離子（與常見的單原子陰離子如氧化物或氯化物不同），使得其晶體結(jié)構(gòu)更容易在較低外力下發(fā)生轉(zhuǎn)變。

研究團隊在初步通過高壓裝置（金剛石砧壓機）驗證相變后，進一步使用研缽和研杵進行簡單粉碎，也成功引發(fā)相同的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。實驗表明，該材料在僅約0.3GPa壓力下即可完成結(jié)構(gòu)相變，而這一壓力遠低于其他類似化合物所需的臨界值，顯示出其對機械應(yīng)力的高度敏感性。

通過引入先進的計算模擬方法（VCNEB法），研究人員可視化了材料在相變過程中的原子位移軌跡，發(fā)現(xiàn)Ba離子層沿晶體c軸方向發(fā)生滑移，而亞胺碳離子則發(fā)生旋轉(zhuǎn)并互相垂直排列。這種原子間錯動源于研磨過程中所施加的橫向應(yīng)力，從而觸發(fā)了低壓結(jié)構(gòu)相變。

相變過程中原子位移的可視化

研究人員指出，這一成果不僅顛覆了“陶瓷結(jié)構(gòu)必須靠極端條件才能轉(zhuǎn)變”的傳統(tǒng)認知，也為陶瓷材料在壓力傳感器、應(yīng)力響應(yīng)型光電器件等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了全新方向。未來有望開發(fā)出可通過簡單機械加工控制性能的智能陶瓷材料，拓展陶瓷在精密制造、電子信息等高端領(lǐng)域的功能性邊界。

目前相關(guān)研究成果已發(fā)表在《美國化學(xué)會志（Journal of the American Chemical Society）》上。

粉體圈NANA編譯