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当金刚石遇见玻璃

信息来源:jjjggg.com  时间:2019-02-13  浏览次数:111

金刚石是自然界最硬的物质,这主要源于其内部碳-碳共价键形成的极高的三维网状结构。正是每一个碳原子和相邻四个碳原子间SP3杂化共价键的结合,使金刚石素来享誉“硬度之王”、“宝石之王”的美称。当然,除了高硬度,金刚石还具备已知最高热导率、极高熔点、极高可见光折射率等优异性质。这也使得金刚石在机械切割、研磨、钻探及其他尖端工业领域有着广泛应用。 

但“黄金无足色,白璧有微瑕”,作为一种晶体材料,金刚石的各向异性导致其在不同晶向的性质差异巨大。特别是其最易发生断裂和破坏的{111}解理面,成为金刚石最大的“弱点”。其实,除了原子排列高度有序的晶体材料,还有一类材料—非晶态材料(如玻璃),由于原子排列的高度无序, 使其具有各方向性质都很均匀(即各向同性)的特点。当“金刚石”和“玻璃”这两个概念相遇,能否将产生一种各方向均极强的各向同性的“玻璃态金刚石”呢?近几十年来,尽管付出大量努力,科学家对于如何实现原子间化学键和金刚石一样,内部原子排列却像玻璃般无序的这个难题,仍束手无策。

近期,北京高压科学研究中心的曾徵丹研究员及其团队利用高压技术结合激光原位加热,在前人没有探索过的温度和压力条件下(50万个标准大气压,约1500 摄氏度)首次合成出完全非晶态的块状金刚石。这种新材料确认是由纯sp3碳-碳键构成,同时也拥有一颗真正的“玻璃心”—内部原子被证明是高度无序的排列。因此,它具备金刚石和玻璃两者的优点:碳原子间都以sp3键结合形成三维网络结构,使材料表现出极高的强度(体弹性模量接近传统金刚石);性质均匀各向同性,使其不再存在晶体解理面。从而有可能成为已知最强的玻璃态材料。

在过去长达三十年的时间里,已有很多尝试合成非晶态金刚石的研究,其主要途径是通过气相沉积技术来试图合成具有相对高含量sp3键的非晶态碳薄膜,这种薄膜材料被称为类金刚石碳材料(diamond like carbon)。然而,完全由sp3键结合而形成的“块体非晶态金刚石”只存在于理论计算中。北京高压科学研究中心的这一研究,首次在高温高压下合成出这种原以为不可能存在的新材料,使得“玻璃态”金刚石从梦想变成现实,改变了人们对于金刚石的传统认识;并且在卸掉压力回到常温常压条件时仍然保持稳定的非晶态金刚石材料,也为进一步探索这一材料的各种性质和开发其潜在的应用成为可能。

也许,有一天,“钻石恒久远,一颗永流传”的钻戒会有两个选项:“请问先生,您要选择晶态的还是玻璃态的?”

这一研究成果最近在《自然-通讯》上发表(Zhidan Zeng, Liuxiang Yang, Qiaoshi Zeng, Hongbo Lou, Hongwei Sheng, J. G. Wen, Dean J. Miller, Y. Meng, Wenge Yang, W. L. Mao, and Ho-Kwang Mao, Synthesis of quenchable amorphous diamond. Nature Communications,8: 322 DOI: 10.1038/s41467-017-00395-w (2017))。

左图:金刚石及其内部的原子结构;右图:“玻璃心”的非晶态金刚石的原子结构,玻璃球代表非晶态金刚石像玻璃一样各向同性,可以加工成完美的球状。

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