非晶態材料，繼承了相應晶體的中、短程有序，因此，在保持其某些特性的同時仍然表現出新的特性。由于其在技術上的重要應用，人們已經探索并制備了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。這種材料繼承了金剛石的中程/短程有序，因此，也應該繼承了其優越的性能。
在此，來自吉林大學的姚明光&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。相關論文以題為“Ultrahard bulk amorphous carbon from collapsed fullerene”于2021年11月24日發表在Nature上。
無定形固體缺乏長程有序，表現出許多優異的力學性能，而且在應用中往往易于成型。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、非晶半導體等，它們早已應用于生產和眾多領域中。截至目前，人們提出了要更多地使用其他非晶材料，但由于具有挑戰性的合成條件，仍然未得以實現和探索。
無定形碳，由于其可調諧的特性和在應用中的重要性，引起了人們的廣泛關注。由于其結合靈活性，sp、sp2或sp3雜化時，碳可形成許多非晶結構。sp2鍵合玻璃態碳，繼承了中短程石墨有序結構并具有導電性，其結構的無序性使其具有高硬度、高強度和低密度的優點。
然而，與容易形成非晶結構的硅和鍺相比，sp3雜化非晶碳的合成仍然是一個挑戰。sp3鍵濃度接近100%的非晶碳，可以繼承金剛石的中短程結構，并同時繼承其優異的性能。即使在非晶碳中加入少量的sp3鍵，也能顯著地改變其性質。
通過高壓高溫處理玻璃態碳得到的非晶態碳，其sp3含量約22%，表現出更強的韌性和彈性，而超硬的非晶態富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，激光加熱玻璃態碳在50 GPa的壓力下金剛石頂砧電池產生透明的且sp3結合的碳相，稱為非晶金剛石。此外，沖擊壓縮C60到55 GPa和2000 K產生了另一種富含sp3的非晶相。然而，微觀結構表征是有限的樣品大小和很少的信息，其性質是已知的。
在此，研究者探索了在大體積壓機中，在C60籠型崩潰壓力(20-37 GPa)附近進行了HPHT合成實驗。研究者發現，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，并具有許多優異的性能。分析表明，合成的材料由許多隨機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)和熱導率(26.0±1.3 W m?1 K?1)。它的光學帶隙從1.85 eV可調到2.79 eV。
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型
據悉，這是吉林大學繼10月27日之后，再次在Nature正刊發表文章，勢頭正猛。
劉冰冰，1967年生，教授，博士生導師，現任吉林大學超硬材料國家重點實驗室主任。1995年畢業于吉林大學超硬材料國家重點實驗室凝聚態物理專業，獲理學博士學位，師從鄒廣田院士。畢業后留校工作，從事碳材料合成及其高壓結構研究，其間赴瑞典余默奧大學物理系高壓物理研究小組作博士后研究2年，回國后任吉林大學超硬材料國家重點實驗室教授、博士生導師。2006年任吉林大學超硬材料國家重點實驗室副主任，2015年任吉林大學超硬材料國家重點實驗室主任；現任Diamond & Related Materials期刊副主編、中國物理學會高壓物理專業委員會秘書長、中國物理學會表面物理專業委員會委員、中國物理光散射專業委員會委員、吉林省物理學會理事。近年來主持了國家重點基礎研究發展計劃項目（973計劃）、國家重點研發計劃、國家自然科學基金重點項目、瑞典基金會國際合作等項目；在Science、PRL、Adv Mater等SCI 刊物上發表論文400余篇。
研究興趣：高壓下碳基材料的新結構研究、高壓下新型含能材料的設計與合成、高壓下低維材料的結構與物性；壓力/溫度調控強關聯體系的絕緣-金屬化轉變、半導體納米材料高壓下的非線性光學性質、高壓原位實驗技術。
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家獎，2012年入選科技部“創新人才推進計劃”中青年科技創新領軍人才，2014年入選中組部“萬人計劃”、國家百千萬人才工程。2014年獲國家自然科學二等獎1項，多次獲吉林省自然科學一等獎。
姚明光，博士，教授，國家優秀青年基金獲得者。2002年吉林大學物理系獲學士學位；2007年吉林大學獲凝聚態物理博士學位；2007至2010年先后在瑞典于墨奧大學和法國里昂第一大學從事博士后研究，2010年被引進回到吉林大學工作。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行訪問研究。長期從事高壓下碳材料的研究，在碳的高壓結構相變、新型超硬碳材料等方面取得了系列重要進展，獲得了可常壓截獲的全新sp3超硬碳(V碳)、系列非晶碳簇構筑的長程有序3D新結構，發現了透明的超硬玻璃碳高壓相，并發展了相應的高壓原位光譜研究新方法，解決了高壓下一維結構相轉變以及強度原位測量等研究中的若干難題。迄今在PRL、Adv Mater、PRB等科學雜志上發表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一等獎（排名2，2018年）、中國高壓會議優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“國家自然科學基金優秀青年基金”。
研究興趣：碳及相關材料的高壓結構、物性研究；超硬材料的高壓合成
榮譽獎勵：國家自然科學基金優秀青年基金、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秀青年論文獎、吉林省自然科學一等獎、吉林大學首屆 “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
原創文章，作者：Gloria，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2023/10/18/1529a6d19a/
