高壓下，碳材料的神奇“逆襲”

歷帥

說起最硬的物質(zhì)，大部分人腦海里浮現(xiàn)出的都是金剛石，也就是鉆石。但是近日，中國科學(xué)家在高溫高壓條件下，利用碳材料，研制出了一種全新的非晶體物質(zhì)。這種物質(zhì)不僅硬度超過了金剛石，而且具備金剛石不具備的韌性，以及半導(dǎo)體特性。讓我們一起來認(rèn)識一下，這種神奇的新材料吧！

石墨和金剛石的原子結(jié)構(gòu)示意圖

碳是地球上常見的元素，也是構(gòu)成有機(jī)生命體的基礎(chǔ)元素。碳可以形成各種具有不同性質(zhì)的同素異形體，例如我們熟悉的石墨和金剛石（鉆石）。二者雖同質(zhì)為碳，但其原子結(jié)構(gòu)不同，物理性能也完全不同——鉛筆芯和金剛石鉆頭就很直觀地體現(xiàn)出一個(gè)的“軟”與一個(gè)的“硬”。

為什么會產(chǎn)生這樣的性能差異？如何合成更多具有奇異性質(zhì)的碳材料？這些問題一直激發(fā)著科學(xué)家的研究熱情，推動著碳材料科學(xué)的發(fā)展。隨著富勒烯、石墨烯、碳纖維、碳納米管、石墨炔等碳同素異形體的問世，碳材料逐漸占領(lǐng)了21世紀(jì)材料學(xué)的大舞臺。

在傳統(tǒng)認(rèn)知中，金剛石堅(jiān)硬無比，常常被用作玻璃材料的切割工具。近日，中國燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)利用高溫高壓手段，合成了一種新型非晶碳（玻璃態(tài)）材料——AM-III，用它可以劃傷金剛石。

用AM-III 刻劃金剛石留下的劃痕

玻璃態(tài)材料是如何實(shí)現(xiàn)“逆襲”的呢？從材料學(xué)角度看，除了石墨之外的其他碳形式都是亞穩(wěn)材料（亞穩(wěn)材料是指熱力學(xué)上處于亞穩(wěn)狀態(tài)的一大類材料物質(zhì)，亞穩(wěn)狀態(tài)即包括原子、離子、自由基、化合物等在內(nèi)的各種化學(xué)物種，在某種條件下，介于穩(wěn)定和不穩(wěn)定之間的一種化學(xué)狀態(tài)）。通過科學(xué)手段獲得亞穩(wěn)碳材料是制備新型碳材料的重要途徑。

這里特別介紹一下“高壓”這種材料制備手段。高壓下，物質(zhì)內(nèi)部的原子結(jié)構(gòu)和能量狀態(tài)會發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)材料微觀結(jié)構(gòu)和性能的調(diào)控，從而設(shè)計(jì)并合成具有特殊結(jié)構(gòu)和性能的新型亞穩(wěn)材料。

科研人員通過高溫高壓實(shí)驗(yàn)，合成了包括納米孿晶金剛石（nt-diamond）、納米孿晶氮化硼（nt-cBN）以及非晶碳（AM-III）等極硬材料，不斷向金剛石最硬材料的“王者地位”發(fā)起挑戰(zhàn)。

在AM-III的合成實(shí)驗(yàn)中，研究人員以富勒烯C60為原料，通過高溫高壓使其破碎轉(zhuǎn)變成非晶態(tài)，再經(jīng)過淬火從中截留亞穩(wěn)態(tài)的非晶碳材料。

高溫高壓下富勒烯C60非晶化的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變示意圖

具體來講，富勒烯C60是一種亞穩(wěn)的球形分子晶體，壓力和溫度的升高會導(dǎo)致分子球破碎成小碎片或團(tuán)簇，最后在高溫高壓的驅(qū)使下，這些微結(jié)構(gòu)重新排布、成鍵，形成嶄新的、高密度的非晶碳結(jié)構(gòu)。

這是一種全新的、目前已知最硬最強(qiáng)的半導(dǎo)體性非晶碳材料，不僅具有可媲美單晶金剛石的極高硬度、壓縮強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性，而且其帶隙僅有金剛石帶隙的2/5，與最常用的半導(dǎo)體非晶硅（a-Si：H）薄膜的帶隙相當(dāng)。如此結(jié)合了優(yōu)越的力學(xué)性能與半導(dǎo)體性能的新型材料有望在光伏領(lǐng)域大展身手。

這種高性能非晶碳，是中國自主研發(fā)的新型“明星材料”，刷新了人們對非晶碳結(jié)構(gòu)的認(rèn)知，令科學(xué)界興奮。未來，中國科學(xué)家還將研發(fā)更多新型非晶碳材料，讓我們拭目以待！

（責(zé)任編輯 / 高琳? 美術(shù)編輯 / 周游）