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不是晶体也不是非晶体 次晶态金刚石“诞生”
2022-01-13 15:10:37 来源: 科技日报

围绕在我们身边的固体物质,无论是尘埃沙砾还是金属宝石,其本质都是由原子在空间中堆积而成的。而根据原子的堆积是否有序,固体物质又可以被划分为晶体和非晶体。我们通常认为,在晶体材料中原子的排布均匀且规则,而非晶体的原子排列呈现出普遍的无序性。

近日,北京高压科学研究中心研究员缑慧阳等在高温高压条件下合成了一种新形态的金刚石——次晶态金刚石。该项成果的问世在结构拓扑上链接了非晶态和晶态,对于揭示非晶材料复杂的结构本质具有深远意义。

该研究成果在线发表于权威学术期刊《自然》杂志。

在晶体与非晶体之间

围绕在我们身边的固体物质,无论是尘埃沙砾还是金属宝石,其本质都是由原子在空间中堆积而成的。而根据原子的堆积是否有序,固体物质又可以被划分为晶体和非晶体。在晶体中,原子在三维空间上具有特定的堆积次序,其晶体结构可以用一个小的结构单元周期性表达。且在宏观视角下,我们无法分辨出其中的不连续性,因此我们通常认为,在晶体材料中原子的排布是均匀且规则的。同时,这也使得晶体材料的各个部分具有相同的物理、化学性质。

而与此相对,非晶体材料中的原子则缺乏长程的周期性排列,仅存在着短程有序性,即每个原子只在小范围内与其临近的原子在排列上呈现出一定的规则性。因此从宏观上观察,其原子排列呈现出普遍的无序性。而这种非晶体在结构上的差异,也直接导致其在力、声、光、电、磁、热等各方面材料性能上表现出极大不同。我们日常随处可见的玻璃便是最典型的非晶体材料之一。

缑慧阳表示,传统意义上一般将原子在0—0.5纳米直径范围内呈现出的有序性称为短程有序,0.5—2.0纳米范围内呈现出的有序性称为中程有序,大于2.0纳米的则称为长程有序。但他也提到,在实际的工作中,更常采用的方法是以有序配位壳层的数量来定义空间有序性,这是考虑到不同材料之间由于键长等差异导致的空间尺寸差异。

然而物质世界变幻无穷。研究人员发现,当温度升高时,晶体中的长程有序性会显著降低,逐渐向短程有序过渡,此时理解两种状态之间的差别变得异常困难。

那么对固体,尤其是强共价和类共价固体来说,在长程有序和短程有序之间,是否存在着一种中间态?为了探索这一结构之谜,理论科学家们提出了一种“次晶态”结构模型。“1930年以来,次晶态的概念偶尔出现在科学界,1950年德国霍斯曼教授基于一些软物质的发现,提出次晶态作为独立于晶体和非晶体的一种状态。”缑慧阳说,该概念在1980年前后逐渐被推广到聚合物、胶体、生物材料,甚至一些熔融态金属和合金、玻璃中。然而,在共价键合和类共价键合的材料中,科学家们却一直未能在自然界或实验室中发现这种完全由中程有序的次晶组成,而又不具有长程有序性的物质状态。尽管其曾经在半导体材料硅中提出过,但含量只有不到18%,而对于同族的金刚石来说,则一直没有相关研究涉及,更没有实验现象和证据。

处理后的富勒烯“不负众望”

但科学界不是没有过尝试。自次晶态概念被提出后,科学家们一直试图将这一状态从理论概念拓宽到各种各样的物质中。

缑慧阳介绍,2017年北京高压科学研究中心研究员曾徵丹等便曾利用金刚石对顶压机结合激光加热技术,成功在40—50吉帕和1800开尔文的压强、温度条件下合成出非晶态金刚石,然而极高的压强限制了合成样品的尺寸。该项成果成功地确定了sp3键合的非晶金刚石的真实存在,并且能够将其保留下来。

而且,科学界与工业界已经掌握了制备纳米级金刚石的技术,且纳米金刚石在各个领域得到了非常广泛的应用,具有广泛的实用价值。基于这样的研究背景,缑慧阳团队决定利用当下最先进的大腔体高温高压技术,突破传统大体积压机的压力范围,进行30吉帕以上压强的毫米级样品的研究。

缑慧阳和团队选取了不同特点的前驱物,分别是富勒烯、玻璃碳和洋葱碳,旨在探索不同前驱物在高压下的结构及微结构的转变过程和路径。和预想中的一样,研究团队在30吉帕压强下,1800开尔文以上的高温范围内,观察到了纳米金刚石的形成。但是只有富勒烯在30吉帕和1500—1600开尔文的压强、温度条件下出现了能够保留到常压的、具有中程有序的非晶金刚石,这是此前从未有过的发现。

但仅是发现还不够,要想对其进行深入细致的研究,还要求研究者能够对这种截留的具有中程有序的非晶金刚石进行详细的结构表征和模型构建。于是,缑慧阳及其合作者通过X射线、对关联函数、谱学、透射电镜等方法对其结构与微结构进行表征,并采用先进的大尺度分子动力学模拟对其进行详细对比和模型构建,最终将其识别确定为次晶态金刚石。这种结构的金刚石本质上是在非晶基体中引入纳米尺寸的中程有序结构。其发现不仅使研究者深入理解了这种特殊的金刚石,掌握了其独特性,更是填补了非晶结构和晶体结构之间原子排列尺度上的缺失环节,为深层次理解非晶材料的复杂结构提供了密钥。

三个因素协调是关键

缑慧阳认为,此次能够成功合成次晶态金刚石,原因除了非晶金刚石自身具有更高的短程有序性外,还取决于三方面的决定性因素,即对于前驱物的选择、适宜的压力与温度以及对保温时间的控制。

在前驱物的选择上,缑慧阳团队选择了碳的三种同素异形体分别进行尝试,并最终在富勒烯上成功取得突破。富勒烯化学式为C60,由于每个分子中包含60个碳原子,并呈现出12个五边形所组成的球状,也被形象地称为足球烯。

缑慧阳向记者分析道,在高压的作用下,C60分子间的聚合作用为形成高密度的sp3键合提供了均匀的形核点,这使得在较低的压力和温度下形成sp3含量接近100%的非晶金刚石成为可能。而30吉帕甚至更高的压力则有助于提高形核的密度,再配合以适当的温度,便能够促进sp2向sp3转变,并抑制其快速地结晶。随后,经过适当时间的等温退火,便可使得非晶金刚石中逐步、动态地出现大量次晶态。

同时,缑慧阳也表示,或许除了富勒烯外,其他两种前驱体也可能会在某个温压区间内生成纳米级次晶金刚石,但仅就目前其所探索的压强、温度、时间范围内,尚未捕捉到。因此他认为,发现并成功截留次晶这种亚稳状态的关键正是在于对压强、温度和时间的有效把控,只有实现三者的完美协调,才能取得理想中的结果。

另一方面,此次研究能够取得突破性进展,同样离不开大腔体高温高压技术的发展。根据缑慧阳介绍,大腔体压机技术目前已经相对成熟,但在常规的压力组装方式下,传统大腔体压机的压力极限一般为27吉帕。而北京高压科学研究中心的科研人员通过改变碳化钨压砧的几何形状和对一级压砧进行精确控制,将压力提升到了30—50吉帕。同时,缑慧阳团队还利用高质量的碳化钨压砧,不进行任何调整,优化组装方式,实现了2000摄氏度下毫米量级的30吉帕高压。

除了填补理论上的空白,次晶态金刚石的合成更具备广泛的应用价值。次晶态金刚石除了具有和普通晶体金刚石相当的力学性能以外,还有非常独特的可调节的光学性能。“这意味着次晶态金刚石可能会是一个极端条件下非常良好的窗口材料。”缑慧阳指出,由于次晶态金刚石具有非常宽的荧光峰和较高的热稳定性,预期未来将在包括生物医学等在内的多个领域产生更加广泛的应用。( 记者 都芃 )

标签: 次晶态 金刚石 诞生 成果

责任编辑: jkl2