新型碳材料問世 硬度可與金剛石相比

最近，美國卡內基研究院與內布拉斯加大學林肯分校科學家合作，創造出一種碳的新形式，混合了晶體和非晶體兩種結構，是一種“有序化的無序排列”，堪稱“渾沌”晶體。這種材料非常堅硬，能在鉆石上留下凹痕。這一發現在機械力學、電子學、電氣化學等領域都有著廣泛應用前景。相關論文發表在8月17日的《科學》雜志上。

碳元素在宇宙中含量排第四，僅次于氫、氮和氧，以多種形式存在：石墨、鉆石、單層蜂窩狀的石墨烯、圓柱形納米管，還有籠子形狀的富勒烯，也叫“巴基球”。這些碳有些以晶體形式存在，即碳原子的單位結構不斷重復，排列成有規律的結構;另一種是非晶體。此外，科學家認為還可能有晶體和非晶體的混合形式存在，但以前從未觀察到過。

該研究由卡內基研究院的王林音譯領導。他們在巴基球C-60中加入一種有機二甲苯C8H10溶劑，讓其溶解后施加高壓，觀察在不同壓力下會發生怎樣的變化。在相對低壓條件下，C-60還能保持籠子形狀，隨著壓力升高，籠結構開始破裂成非晶體的碳原子簇。然而，這些非晶體碳簇仍保持在它們原來的位置上，形成一種晶格結構。研究人員稱之為“有序非晶體碳簇”。

形成這種結構的壓力范圍非常狹窄。低于30萬個大氣壓時，形成的新結構在消除壓力后會恢復成原來的球狀，達到32萬個大氣壓后，新結構就是穩定的，消除壓力后也不會復原。

隨后，研究人員用阿拉貢國家實驗室的先進光源、布魯克海文國家實驗室的同步光源對新材料進行了檢測，驗證了它的結構。他們在實驗用的鉆石上發現了擠壓留下的凹痕，這表明新材料的硬度接近鉆石。

如果加熱除掉渾沌晶體中的溶劑，它們就會失去規則的晶格結構。研究人員解釋說，這表明溶劑是這種渾沌晶體保持其化學過渡性的關鍵。類似的溶劑還有很多種，因此在理論上，通過施壓來構造一種與此類似、但更輕的碳晶格結構是可能的。

王林說：“我們創造了一種新型碳材料，硬度可與鉆石相比。這種材料在極端高壓下一旦形成，就能在正常條件下存在，這意味著它們具有廣泛的實際應用價值。”

來源：科技日報

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