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金刚石新形态——次晶态

编译者:发布时间:2021-12-02点击量:37 审核: 埃米空间 王倩 博士

文|陈根

一般情况下,固体根据是否存在长程周期性,可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就会变得十分困难,特别是对于强共价和类共价固体。

为此,科学家们提出了一种“次晶态结构模型”。这种“次晶模型”的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,即完全由中程有序的次晶组成,又不具有长程有序性。遗憾的是,这种物质状态一直未能在自然界或实验中发现。

近日,北京高压科学研究中心的科学家们在高温高压条件下合成了一种新形态的金刚石—次晶金刚石,该物质不仅在结构拓扑上链接了非晶态和晶态,还显示出优越的力学性能和热稳定性,对于揭示非晶材料复杂的结构本质具有深远意义。

 陈根: 研究发现金刚石新形态——次晶态

团队人员使用富勒烯作为原料,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处理。结果发现,压缩的富勒烯聚合转变成为一种高密度无序的碳。高分辨透射电子显微镜下,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。

为了进一步证明该物质,科学家们又用大尺度分子动力学模拟了这种隐藏的结构有序性,得到的实验结果与次晶金刚石模型高度匹配。也就是说,这种由亚纳米尺寸次晶为主要构成的金刚石就是科学家们一直在寻找的次晶金刚石。

 陈根: 研究发现金刚石新形态——次晶态

可以说,次晶金刚石的合成,高度依赖于富勒烯前驱物的本身结构特点。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。

值得一提的是,次晶金刚石是目前非晶材料中发现的硬度和热导率最高的材料,在高端技术领域和极端环境下具有重要的应用前景,也有利于更深入的了解开发新型类金刚石材料。

目前,相关研究成果“Synthesis of paracrystalline diamond”,已发表在《自然》杂志上。

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