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物理學家發現新形態超硬碳簇 可用于電子等領域

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圖中模擬出作為最初原料的C-60布基球的結構(左圖)和M-二甲苯溶劑(藍色),還有它的超硬形態(右圖),即在金剛石壓槍內部被超過40萬大氣壓擠壓后的樣子。雖然被擠壓的布基球是無定形的,但溶劑保持材料的遠距離晶體秩序。圖片由王林提供,華盛頓卡內基研究所

鉆石表面的光學顯微照片顯示的兩個“環裂”的凹痕(洋紅色箭頭),這是它被用來壓縮近33萬大氣壓下的碳基球/二甲苯材料后留下的。這些凹痕表明,粉碎材料是“超硬”的,也就是說,這種材料幾乎和鉆石一樣堅硬。


卡內基研究所的王林領導的一組研究人員,觀察到一種新形式的超硬碳簇,其中同時存在結晶性和無序性的結構組合,這是不同尋常的。這項發現在機械、電子、電化學使用等領域具有潛在應用價值。這項研究工作發表在8月17日的《科學》雜志上。


碳是宇宙中第四大豐富的元素,呈現出各種各樣的形式——蜂窩狀的石墨、做鉛筆芯的石墨、鉆石、圓柱型的碳納米管、空心球狀的富勒烯等等。


一些形態的碳是晶體狀的,說明碳晶體的結構是由重復的原子單元組成。還有一些碳結構是無序的,這說明這種結構缺少長距離晶體性的秩序。結合晶體性和無序性元素的混合結構先前并沒有被觀察到過,盡管科學家們相信這種結構可以被創造。


王林的研究團隊——包括卡內基研究所的楊文革、劉振賢、斯坦尼斯拉夫·新奧節根和孟玥,他們開始于一個C-60網狀結構的物質,它由高度集成化的碳基球粘合在一起,這種碳基球是中空的圓形,由五邊形和六邊形環構成。此外,將有機二甲苯溶劑放入球之間的空隙,形成了一個新的結構。然后,他們通過對此結構施加壓力,觀察它隨外界條件如何變化。


在相對較低的壓力下,C-60網狀結構能夠保存。但是隨著壓力的增加,網狀結構開始崩塌成更多無定形的碳簇。然而無定形的結構依舊占據它們原先的位置,形成了晶格結構。


該研究小組發現,有個狹窄的壓力范圍,大約32萬倍的標準大氣壓,在這個壓力范圍內,這種新型碳結構將被創造出來,即使外施壓力消失也不會恢復原狀。這將是尋找能夠實際應用新材料的關鍵。


這種材料能夠在高壓條件下使鉆石產生凹陷。這說明這種材料是超硬的。


如果用來制成新形態碳的溶劑二甲苯被熱處理移除,這種材料便失去其晶格的周期性。這說明溶劑對于維持基礎架構的化學過渡很重要。正因為有許多相似的溶劑,從理論上講,它是一個類似但卻是不同的,碳晶格可以用施加壓力的方式建構。


“我們制造出了一種新型的碳材料,它可以與鉆石相媲美,不能被壓縮,”王林說,“一旦它在特殊壓力下被制造出,并可以在正常條件下存在,說明它有實際應用的價值”。


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