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物理学家发现新形态超硬碳簇 可用于电子等领域

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图中模拟出作为最初原料的C-60布基球的结构(左图)和M-二甲苯溶剂(蓝色),还有它的超硬形态(右图),即在金刚石压枪内部被超过40万大气压挤压后的样子。虽然被挤压的布基球是无定形的,但溶剂保持材料的远距离晶体秩序。图片由王林提供,华盛顿卡内基研究所

钻石表面的光学显微照片显示的两个“环裂”的凹痕(洋红色箭头),这是它被用来压缩近33万大气压下的碳基球/二甲苯材料后留下的。这些凹痕表明,粉碎材料是“超硬”的,也就是说,这种材料几乎和钻石一样坚硬。


卡内基研究所的王林领导的一组研究人员,观察到一种新形式的超硬碳簇,其中同时存在结晶性和无序性的结构组合,这是不同寻常的。这项发现在机械、电子、电化学使用等领域具有潜在应用价值。这项研究工作发表在8月17日的《科学》杂志上。


碳是宇宙中第四大丰富的元素,呈现出各种各样的形式——蜂窝状的石墨、做铅笔芯的石墨、钻石、圆柱型的碳纳米管、空心球状的富勒烯等等。


一些形态的碳是晶体状的,说明碳晶体的结构是由重复的原子单元组成。还有一些碳结构是无序的,这说明这种结构缺少长距离晶体性的秩序。结合晶体性和无序性元素的混合结构先前并没有被观察到过,尽管科学家们相信这种结构可以被创造。


王林的研究团队——包括卡内基研究所的杨文革、刘振贤、斯坦尼斯拉夫·新奥节根和孟玥,他们开始于一个C-60网状结构的物质,它由高度集成化的碳基球粘合在一起,这种碳基球是中空的圆形,由五边形和六边形环构成。此外,将有机二甲苯溶剂放入球之间的空隙,形成了一个新的结构。然后,他们通过对此结构施加压力,观察它随外界条件如何变化。


在相对较低的压力下,C-60网状结构能够保存。但是随着压力的增加,网状结构开始崩塌成更多无定形的碳簇。然而无定形的结构依旧占据它们原先的位置,形成了晶格结构。


该研究小组发现,有个狭窄的压力范围,大约32万倍的标准大气压,在这个压力范围内,这种新型碳结构将被创造出来,即使外施压力消失也不会恢复原状。这将是寻找能够实际应用新材料的关键。


这种材料能够在高压条件下使钻石产生凹陷。这说明这种材料是超硬的。


如果用来制成新形态碳的溶剂二甲苯被热处理移除,这种材料便失去其晶格的周期性。这说明溶剂对于维持基础架构的化学过渡很重要。正因为有许多相似的溶剂,从理论上讲,它是一个类似但却是不同的,碳晶格可以用施加压力的方式建构。


“我们制造出了一种新型的碳材料,它可以与钻石相媲美,不能被压缩,”王林说,“一旦它在特殊压力下被制造出,并可以在正常条件下存在,说明它有实际应用的价值”。


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