由北京高壓科學(xué)研究中心的緱慧陽(yáng)研究員帶領(lǐng)的國(guó)際研究小組在高溫高壓條件下，合成了一種新形態(tài)的金剛石——次晶金剛石 （Paracrystalline diamond），這種新形態(tài)的結(jié)構(gòu)填補(bǔ)了非晶結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)之間原子排列尺度上的缺失環(huán)節(jié)。此成果猶如科學(xué)的羅賽塔石，對(duì)深層次理解非晶材料的復(fù)雜結(jié)構(gòu)提供了解密的鑰匙。該項(xiàng)工作以“Synthesis of paracrystalline diamond”為題于11月25日發(fā)表在頂尖科學(xué)雜志Nature上。（DOI：10.1038/s41586-021-04122-w）。

一般來(lái)說(shuō)，根據(jù)是否存在長(zhǎng)程周期性，我們把固體分為結(jié)晶態(tài)和非結(jié)晶態(tài)。然而，當(dāng)晶體中的長(zhǎng)程有序度顯著降低時(shí)，理解這兩種狀態(tài)之間的差別變得異常困難，特別是對(duì)于強(qiáng)共價(jià)和類(lèi)共價(jià)固體。為了探索這一結(jié)構(gòu)之謎，理論科學(xué)家們提出了一種“次晶態(tài)”的結(jié)構(gòu)模型。這種“次晶模型”本質(zhì)上是在非晶基體中引入納米尺寸的中程有序結(jié)構(gòu)。然而，科學(xué)家們一直未能在自然界或?qū)嶒?yàn)中發(fā)現(xiàn)這種物質(zhì)狀態(tài) — 完全由中程有序的次晶組成，而又不具有長(zhǎng)程有序性。

北京高壓科學(xué)研究中心緱慧陽(yáng)研究員與合作者通過(guò)他們最新在大腔體壓機(jī)中發(fā)展的極端高壓技術(shù)，在30 GPa，1500-1600 K的溫壓條件下對(duì)富勒烯（C60）進(jìn)行高溫高壓處理，發(fā)現(xiàn)壓縮的富勒烯聚合轉(zhuǎn)變成為一種高密度無(wú)序的sp3鍵合的碳。高分辨透射電子顯微鏡顯示樣品中存在高密度且均勻分布的類(lèi)晶體團(tuán)簇（尺寸為0.5-1.0 nm），其原子構(gòu)型接近于立方和六方金剛石并且具有很高的晶格畸變，這種由亞納米尺寸次晶為主要構(gòu)成的金剛石被稱(chēng)為次晶金剛石（Paracrystalline diamond）。

 “次晶金剛石的發(fā)現(xiàn)為豐富的碳材料家族增加了一種新的結(jié)構(gòu)形態(tài)，并且有利于進(jìn)一步開(kāi)發(fā)新型類(lèi)金剛石材料”，該工作第一作者唐虎博士解釋說(shuō)?！爸陵P(guān)重要的是，這種次晶態(tài)的發(fā)現(xiàn)，在結(jié)構(gòu)拓?fù)渖湘溄恿朔蔷B(tài)和晶態(tài)，對(duì)于揭示非晶材料復(fù)雜的結(jié)構(gòu)本質(zhì)具有深遠(yuǎn)意義。另外，次晶態(tài)金剛石具有綜合優(yōu)異的機(jī)械性能、熱穩(wěn)定性以及獨(dú)特的光學(xué)特性，在高端技術(shù)領(lǐng)域和極端環(huán)境下具有重要的應(yīng)用前景”。

為了探索次晶金剛石的形成過(guò)程，該團(tuán)隊(duì)對(duì)C60在高溫高壓條件下結(jié)構(gòu)演變進(jìn)行了大尺度的分子動(dòng)力學(xué)模擬，建立了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度匹配的次晶金剛石模型。模擬結(jié)果表明次晶金剛石的合成主要?dú)w功于兩個(gè)主要的因素：其一、由于金剛石具有最大的四面體序參量。與非晶Si相比，非晶金剛石在兩個(gè)原子配位殼層內(nèi)存在超強(qiáng)的類(lèi)金剛石短程有序性，這一特征有利于中程有序結(jié)構(gòu)的行成。其二、次晶金剛石的形成高度依賴(lài)于前驅(qū)物富勒烯的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

“我們模擬的結(jié)果顯示次晶金剛石和非晶金剛石具有顯著的結(jié)構(gòu)差異。由于大量的次晶存在，這種金剛石中存在明顯的結(jié)構(gòu)獨(dú)特性。次晶金剛石和非晶金剛石都不具有長(zhǎng)程有序性，且在第一個(gè)配位原子層，次晶金剛石和非晶金剛石同時(shí)具有相似的有序性。然而，在中程尺度范圍（2-5原子層），次晶金剛石的有序性雖然在逐步降低，但是有序性遠(yuǎn)高于非晶金剛石”， 生紅衛(wèi)教授解釋道。

該工作的通訊作者為高科中心緱慧陽(yáng)研究員和美國(guó)喬治梅森大學(xué)的生紅衛(wèi)教授。相關(guān)工作得到了廈門(mén)大學(xué)王鳴生教授、高科中心曾徵丹研究員、德國(guó)拜羅伊特大學(xué)Tomoo Katsura教授，袁曉紅博士、程勇博士、費(fèi)宏展博士、劉扶陽(yáng)博士、梁濤博士、Takayuki Ishii研究員的大力支持和幫助。這一工作獲得國(guó)家自然科學(xué)基金委的部分支持。