高壓下，碳材料的神奇“逆襲”

歷帥

說起最硬的物質，大部分人腦海里浮現出的都是金剛石，也就是鉆石。但是近日，中國科學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。這種物質不僅硬度超過了金剛石，而且具備金剛石不具備的韌性，以及半導體特性。讓我們一起來認識一下，這種神奇的新材料吧！

石墨和金剛石的原子結構示意圖

碳是地球上常見的元素，也是構成有機生命體的基礎元素。碳可以形成各種具有不同性質的同素異形體，例如我們熟悉的石墨和金剛石（鉆石）。二者雖同質為碳，但其原子結構不同，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出一個的“軟”與一個的“硬”。

為什么會產生這樣的性能差異？如何合成更多具有奇異性質的碳材料？這些問題一直激發著科學家的研究熱情，推動著碳材料科學的發展。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，碳材料逐漸占領了21世紀材料學的大舞臺。

在傳統認知中，金剛石堅硬無比，常常被用作玻璃材料的切割工具。近日，中國燕山大學亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室研究團隊利用高溫高壓手段，合成了一種新型非晶碳（玻璃態）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

玻璃態材料是如何實現“逆襲”的呢？從材料學角度看，除了石墨之外的其他碳形式都是亞穩材料（亞穩材料是指熱力學上處于亞穩狀態的一大類材料物質，亞穩狀態即包括原子、離子、自由基、化合物等在內的各種化學物種，在某種條件下，介于穩定和不穩定之間的一種化學狀態）。通過科學手段獲得亞穩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，物質內部的原子結構和能量狀態會發生變化，實現材料微觀結構和性能的調控，從而設計并合成具有特殊結構和性能的新型亞穩材料。

科研人員通過高溫高壓實驗，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”發起挑戰。

在AM-III的合成實驗中，研究人員以富勒烯C60為原料，通過高溫高壓使其破碎轉變成非晶態，再經過淬火從中截留亞穩態的非晶碳材料。

高溫高壓下富勒烯C60非晶化的結構轉變示意圖

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

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

這種高性能非晶碳，是中國自主研發的新型“明星材料”，刷新了人們對非晶碳結構的認知，令科學界興奮。未來，中國科學家還將研發更多新型非晶碳材料，讓我們拭目以待！

（責任編輯 / 高琳? 美術編輯 / 周游）