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 文｜陳根

一般情況下，固體根據(jù)是否存在長(zhǎng)程周期性，可被分為結(jié)晶態(tài)和非結(jié)晶態(tài)。當(dāng)晶體的長(zhǎng)程有序度顯著降低時(shí)，理解這兩種狀態(tài)之間的差別就會(huì)變得十分困難，特別是對(duì)于強(qiáng)共價(jià)和類共價(jià)固體。

為此，科學(xué)家們提出了一種“次晶態(tài)結(jié)構(gòu)模型”。這種“次晶模型”的本質(zhì)是在非晶基體中引入納米尺寸的次晶晶格來(lái)解釋非晶態(tài)晶體的中程有序結(jié)構(gòu)，即完全由中程有序的次晶組成，又不具有長(zhǎng)程有序性。遺憾的是，這種物質(zhì)狀態(tài)一直未能在自然界或?qū)嶒?yàn)中發(fā)現(xiàn)。

近日，北京高壓科學(xué)研究中心的科學(xué)家們?cè)诟邷馗邏簵l件下合成了一種新形態(tài)的金剛石—次晶金剛石，該物質(zhì)不僅在結(jié)構(gòu)拓?fù)渖湘溄恿朔蔷B(tài)和晶態(tài)，還顯示出優(yōu)越的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性，對(duì)于揭示非晶材料復(fù)雜的結(jié)構(gòu)本質(zhì)具有深遠(yuǎn)意義。

團(tuán)隊(duì)人員使用富勒烯作為原料，通過(guò)自主開(kāi)發(fā)的大腔體壓機(jī)極端高壓技術(shù)對(duì)富勒烯進(jìn)行高溫高壓處理。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，壓縮的富勒烯聚合轉(zhuǎn)變成為一種高密度無(wú)序的碳。高分辨透射電子顯微鏡下，其原子構(gòu)型接近于立方和六方金剛石，并且具有很高的晶格畸變。

為了進(jìn)一步證明該物質(zhì)，科學(xué)家們又用大尺度分子動(dòng)力學(xué)模擬了這種隱藏的結(jié)構(gòu)有序性，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與次晶金剛石模型高度匹配。也就是說(shuō)，這種由亞納米尺寸次晶為主要構(gòu)成的金剛石就是科學(xué)家們一直在尋找的次晶金剛石。

可以說(shuō)，次晶金剛石的合成，高度依賴于富勒烯前驅(qū)物的本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。與非晶硅相比，非晶金剛石在兩個(gè)原子配位殼層內(nèi)存在超強(qiáng)的類金剛石短程有序性，這一特征有利于中程有序結(jié)構(gòu)的形成。

值得一提的是，次晶金剛石是目前非晶材料中發(fā)現(xiàn)的硬度和熱導(dǎo)率最高的材料，在高端技術(shù)領(lǐng)域和極端環(huán)境下具有重要的應(yīng)用前景，也有利于更深入的了解開(kāi)發(fā)新型類金剛石材料。

目前，相關(guān)研究成果“Synthesis of paracrystalline diamond”，已發(fā)表在《自然》雜志上。