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        高壓下,碳材料的神奇“逆襲”

        2021-12-21 21:59:32歷帥
        知識就是力量 2021年12期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)

        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)出一個的“軟”與一個的“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)

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