非晶態(tài)材料，繼承了相應(yīng)晶體的中、短程有序，因此，在保持其某些特性的同時仍然表現(xiàn)出新的特性。由于其在技術(shù)上的重要應(yīng)用，人們已經(jīng)探索并制備了sp2雜化或sp3雜化的無定形碳，但sp3雜化濃度接近100%的塊狀無定形碳的合成，仍然是一個挑戰(zhàn)。這種材料繼承了金剛石的中程/短程有序，因此，也應(yīng)該繼承了其優(yōu)越的性能。
在此，來自吉林大學(xué)的姚明光&劉冰冰等研究者，成功地合成了毫米大小的透明且接近純sp3雜化的非晶碳樣品，其體積是之前研究樣品的103-104倍，這種樣品是在接近籠形崩潰邊界的壓力下加熱富勒烯制備獲得的。相關(guān)論文以題為“Ultrahard bulk amorphous carbon from collapsed fullerene”于2021年11月24日發(fā)表在Nature上。
無定形固體缺乏長程有序，表現(xiàn)出許多優(yōu)異的力學(xué)性能，而且在應(yīng)用中往往易于成型。這些材料包括天然非晶固體、人造玻璃(氧化物和金屬玻璃)、塑料、非晶半導(dǎo)體等，它們早已應(yīng)用于生產(chǎn)和眾多領(lǐng)域中。截至目前，人們提出了要更多地使用其他非晶材料，但由于具有挑戰(zhàn)性的合成條件，仍然未得以實現(xiàn)和探索。
無定形碳，由于其可調(diào)諧的特性和在應(yīng)用中的重要性，引起了人們的廣泛關(guān)注。由于其結(jié)合靈活性，sp、sp2或sp3雜化時，碳可形成許多非晶結(jié)構(gòu)。sp2鍵合玻璃態(tài)碳，繼承了中短程石墨有序結(jié)構(gòu)并具有導(dǎo)電性，其結(jié)構(gòu)的無序性使其具有高硬度、高強(qiáng)度和低密度的優(yōu)點。
然而，與容易形成非晶結(jié)構(gòu)的硅和鍺相比，sp3雜化非晶碳的合成仍然是一個挑戰(zhàn)。sp3鍵濃度接近100%的非晶碳，可以繼承金剛石的中短程結(jié)構(gòu)，并同時繼承其優(yōu)異的性能。即使在非晶碳中加入少量的sp3鍵，也能顯著地改變其性質(zhì)。
通過高壓高溫處理玻璃態(tài)碳得到的非晶態(tài)碳，其sp3含量約22%，表現(xiàn)出更強(qiáng)的韌性和彈性，而超硬的非晶態(tài)富sp3相，在高溫高壓下聚合和部分破壞C60分子，可劃傷金剛石頂砧。
因此，人們付出了很大的努力來合成幾乎完全sp3結(jié)合的非晶碳。目前已有85-88% sp3雜化、硬度為45-88 GPa的類金剛石材料作為薄膜，但由于合成方法的原因往往含有氫。
最近，激光加熱玻璃態(tài)碳在50 GPa的壓力下金剛石頂砧電池產(chǎn)生透明的且sp3結(jié)合的碳相，稱為非晶金剛石。此外，沖擊壓縮C60到55 GPa和2000 K產(chǎn)生了另一種富含sp3的非晶相。然而，微觀結(jié)構(gòu)表征是有限的樣品大小和很少的信息，其性質(zhì)是已知的。
在此，研究者探索了在大體積壓機(jī)中，在C60籠型崩潰壓力(20-37 GPa)附近進(jìn)行了HPHT合成實驗。研究者發(fā)現(xiàn)，在近27 GPa的壓力和900-1000℃的溫度下，C60成功地合成了毫米大小、透明、幾乎完全的sp3雜化非晶碳，并具有許多優(yōu)異的性能。分析表明，合成的材料由許多隨機(jī)取向的類金剛石簇組成，具有已知非晶材料中最高的硬度(101.9±2.3 GPa)、彈性模量(1182±40 GPa)和熱導(dǎo)率(26.0±1.3 W m?1 K?1)。它的光學(xué)帶隙從1.85 eV可調(diào)到2.79 eV。
圖1 不同高溫高壓條件下回收樣品的光學(xué)照片
圖2 不同高溫HPHT條件下回收樣品的XRD、EELS、UV-可見吸收光譜和原子構(gòu)型
圖4 sp3雜化非晶碳的力學(xué)和導(dǎo)熱性能
據(jù)悉，這是吉林大學(xué)繼10月27日之后，再次在Nature正刊發(fā)表文章，勢頭正猛。
劉冰冰，1967年生，教授，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任吉林大學(xué)超硬材料國家重點實驗室主任。1995年畢業(yè)于吉林大學(xué)超硬材料國家重點實驗室凝聚態(tài)物理專業(yè)，獲理學(xué)博士學(xué)位，師從鄒廣田院士。畢業(yè)后留校工作，從事碳材料合成及其高壓結(jié)構(gòu)研究，其間赴瑞典余默奧大學(xué)物理系高壓物理研究小組作博士后研究2年，回國后任吉林大學(xué)超硬材料國家重點實驗室教授、博士生導(dǎo)師。2006年任吉林大學(xué)超硬材料國家重點實驗室副主任，2015年任吉林大學(xué)超硬材料國家重點實驗室主任；現(xiàn)任Diamond & Related Materials期刊副主編、中國物理學(xué)會高壓物理專業(yè)委員會秘書長、中國物理學(xué)會表面物理專業(yè)委員會委員、中國物理光散射專業(yè)委員會委員、吉林省物理學(xué)會理事。近年來主持了國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目（973計劃）、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金重點項目、瑞典基金會國際合作等項目；在Science、PRL、Adv Mater等SCI 刊物上發(fā)表論文400余篇。
研究興趣：高壓下碳基材料的新結(jié)構(gòu)研究、高壓下新型含能材料的設(shè)計與合成、高壓下低維材料的結(jié)構(gòu)與物性；壓力/溫度調(diào)控強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系的絕緣-金屬化轉(zhuǎn)變、半導(dǎo)體納米材料高壓下的非線性光學(xué)性質(zhì)、高壓原位實驗技術(shù)。
榮譽獎勵：劉冰冰教授，長春市勞動模范，吉林省高級專家。2009年入選教育部特聘教授，2010年獲國家杰出青年基金，2011年榮獲中國青年女科學(xué)家獎，2012年入選科技部“創(chuàng)新人才推進(jìn)計劃”中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才，2014年入選中組部“萬人計劃”、國家百千萬人才工程。2014年獲國家自然科學(xué)二等獎1項，多次獲吉林省自然科學(xué)一等獎。
姚明光，博士，教授，國家優(yōu)秀青年基金獲得者。2002年吉林大學(xué)物理系獲學(xué)士學(xué)位；2007年吉林大學(xué)獲凝聚態(tài)物理博士學(xué)位；2007至2010年先后在瑞典于墨奧大學(xué)和法國里昂第一大學(xué)從事博士后研究，2010年被引進(jìn)回到吉林大學(xué)工作。2018至2019年受“培英工程”資助在美國卡耐基地球物理實驗室進(jìn)行訪問研究。長期從事高壓下碳材料的研究，在碳的高壓結(jié)構(gòu)相變、新型超硬碳材料等方面取得了系列重要進(jìn)展，獲得了可常壓截獲的全新sp3超硬碳(V碳)、系列非晶碳簇構(gòu)筑的長程有序3D新結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了透明的超硬玻璃碳高壓相，并發(fā)展了相應(yīng)的高壓原位光譜研究新方法，解決了高壓下一維結(jié)構(gòu)相轉(zhuǎn)變以及強(qiáng)度原位測量等研究中的若干難題。迄今在PRL、Adv Mater、PRB等科學(xué)雜志上發(fā)表SCI論文100余篇。研究工作被正面評價和引用，SCI他引九百余次。部分成果獲得了吉林省自然科學(xué)一等獎（排名2，2018年）、中國高壓會議優(yōu)秀青年論文獎等獎勵。2012年獲得省首批“春苗科研人才”，2015年獲得“霍英東青年教師基金”，2017年獲得“唐敖慶青年人才獎勵基金”，2018年獲得“國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金”。
研究興趣：碳及相關(guān)材料的高壓結(jié)構(gòu)、物性研究；超硬材料的高壓合成
榮譽獎勵：國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金、霍英東青年教師基金、唐敖慶青年人才獎勵基金、吉林省首屆春苗科研人才、第16屆中國高壓物理會議優(yōu)秀青年論文獎、吉林省自然科學(xué)一等獎、吉林大學(xué)首屆 “培英”工程計劃。
Shang, Y., Liu, Z., Dong, J. et al. Ultrahard bulk amorphous carbon from collapsed fullerene. Nature 599, 599–604 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03882-9
原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03882-9
http://nlshm-lab.jlu.edu.cn/info/1074/1304.htm
http://nlshm-lab.jlu.edu.cn/info/1074/1242.htm
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