11月24日，Nature分別發表了兩個科研團隊合成非晶態（次晶態）金剛石（碳材料）的科研成果，主導團隊分別來自吉林大學超硬材料國家重點實驗室（題目Ultrahard bulk amorphous carbon from collapsed fullerene）和北京高壓科學技術先進研究中心（題目Synthesis of paracrystalline diamond）。

研究人員使用多砧壓機將富勒烯 C60 轉化為金剛石玻璃，類似于在高壓設備中將石墨轉化為金剛石的過程。

據悉，吉林大學超硬材料國家重點實驗室劉冰冰教授團隊合成的塊體非晶碳，品質極高， sp碳含量最高可達97.1%，光學帶隙可高達2.7eV；維氏硬度值達102GPa（9.8N載荷），可與金剛石媲美；熱導率達26W/mK，是目前非晶材料中發現的硬度、熱導率最高的材料。

為了破解這一難題，劉冰冰教授團隊從2017年就開始攻關大腔體壓機超高壓技術，最終利用國產的硬質合金壓砧打破了商用Walker型大腔體壓機的壓力極限，發展了大腔體壓機毫米級樣品腔超高壓產生關鍵技術，在高溫條件下實現了高達37萬大氣壓的超高壓力，借此技術成功獲得了毫米級近全sp3非晶碳塊材。“我們合成的超硬非晶碳塊材具有極高的硬度，可以獨立應用于不同領域，有著廣泛的應用前景。”該研究第一作者尚宇琛博士介紹，“比如，用于切割磨削工具，有望直接加工并鑲嵌在刀具上，提高加工效率。”

“此外，非晶的無序結構使其表面更光滑，無各向異性，具備更好的可塑性，可以加工成任意形狀，有望實現高精密切割與拋光。光學窗口方面，我們合成的樣品塊體硬度高、透光性好，有望直接加工成紅外光、X光等窗口。此外，我們合成的塊體非晶碳材料還具有半導體性質，其光學帶隙可以隨著sp3含量的增加，進行大范圍的調控（1.8-2.7eV），因此在太陽能電池、光伏半導體、光電探測領域均有潛在應用價值。”

次晶金剛石由占主導地位的亞納米尺寸的次晶（立方和六角形）組成，這些次晶具有明確的晶體中程有序度，最高可達幾個原子層。

北京高壓科學研究中心緱慧陽研究員團隊使用富勒烯（C60）作為原料通過自主開發的大腔體壓機極端高壓技術對富勒烯進行高溫高壓（30 GPa，1500-1600 K）處理，發現壓縮的富勒烯聚合轉變成為一種高密度無序以sp3鍵結合的碳。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0.5-1.0 nm），其原子構型接近于立方和六方金剛石并且具有很高的晶格畸變，這種由亞納米尺寸次晶為主要構成的金剛石被稱為次晶金剛石（Paracrystalline diamond）。他們進一步用大尺度分子動力學模擬證實了這種隱藏的結構有序性，建立了與實驗結果高度匹配的次晶金剛石模型。

次晶態金剛石顯示出優越的力學性能和熱穩定性，在高端技術領域和極端環境應用領域具有重要的應用前景。次晶金剛石的發現不僅豐富了碳材料的結構形態而且有利于進一步開發新型類金剛石材料。重要的是，這種次晶態的存在從結構拓撲上鏈接非晶態和晶態，對于揭示共價非晶材料的復雜結構具有深遠意義。

編譯整理 YUXI

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