富勒烯和金剛石都是碳元素的同素異形體，表現(xiàn)出完全不一樣的物理性質(zhì)。俄羅斯研究人員近日發(fā)現(xiàn)富勒烯在高溫高壓下可以形成比金剛石還硬的超硬碳材料。這一發(fā)現(xiàn)極大地推動了新型超硬碳材料的發(fā)展。

    物理學(xué)家通過模仿基于富勒烯和單晶金剛石的結(jié)構(gòu)，探索出這種新材料獲得超高的硬度的機理。這一發(fā)現(xiàn)讓評估超硬材料的潛在制備條件成為可能。該結(jié)果發(fā)表在Carbon雜志上。

    富勒烯通常是在其晶格節(jié)點處具有富勒烯分子的分子晶體。富勒烯是碳元素形成的一種球形同素異形體。早在30年前，富勒烯就被首次合成出來并一舉獲得了諾獎。球形的富勒烯可以有多種組裝方式，并且材料的硬度很大程度上決定于富勒烯分子之間的組裝方式。由俄羅斯科學(xué)院生物化學(xué)物理研究所（FSBSI TISNCM, Moscow, Troitsk）的Leonid Chernozatonskii教授領(lǐng)頭和來自莫斯科物理技術(shù)學(xué)院（MIPT），斯科爾科沃科技學(xué)院（Skoltech），國立科技大學(xué)（MISIS）和聯(lián)邦國家預(yù)算科學(xué)研究院超硬和新型碳材料科技研究所的一群科學(xué)家，設(shè)法解釋為什么富勒烯能成為超硬材料。

    物理及數(shù)學(xué)專業(yè)在讀生，文章的主要作者Alexander Kvashnin說：“當我們開始討論這個想法時，我正在TISNCM工作。在1998年，由Vladimir D. Blank領(lǐng)頭的一群科學(xué)家獲得了基于富勒烯的新材料——超硬富勒烯。測試結(jié)果表明，這個新材料可以在金剛石上刻畫，也就是說，它實際上要比金剛石還硬。”

    其實得到的這種材料并不是單晶，它其中包含了無定形碳和3D-聚合的C60分子，但是它的晶體結(jié)構(gòu)卻尚未完全確定。富勒烯分子具有優(yōu)異的機械剛性。與此同時，富勒烯晶體在正常的條件下是非常柔軟的材料，但是在一定壓力下可以成為比金剛石還硬的材料（由于3D聚合反應(yīng)）。雖然這種材料已經(jīng)合成并研究了20余年，但現(xiàn)在仍然不知道它成為超硬材料的原因。

    其中一種模型由Leonid A. Chernozatonskii教授提出，該模型的X射線衍射圖與實驗數(shù)據(jù)完全一致，并且具有比金剛石高好幾倍的體積模量。但是，該模型的松弛結(jié)構(gòu)并未顯示出其優(yōu)異的性質(zhì)。

    Alexander Kvashnin指出：“我們通過對該模型的分析和實驗得知，如果你對富勒烯粉末施加超過10 GPa的壓力且溫度在1800K以上時，可以將其變成多晶的金剛石。這個想法就是結(jié)合了這兩個事實。一方面，超硬富勒烯材料，另一方面，在一定壓力下，富勒烯轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑Ы饎偸?rdquo;

    科學(xué)家推測，在一定壓力下富勒烯的一部分轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸硪徊糠忠廊粸楦焕障珒?nèi)部卻是壓縮狀態(tài)的金剛石。為了簡化模型，Chernozatonskii教授提出了取代內(nèi)部單晶金剛石的富勒烯晶體結(jié)構(gòu)。隨后研究了該復(fù)合材料，這個想法是內(nèi)部為金剛石的富勒烯可以被壓縮。

    我們知道，在壓縮的狀態(tài)下材料的彈性和機械性能將會增大。金剛石將會作為一個保持壓縮狀態(tài)的富勒烯的殼，并且保存了所有屬性。在該研究中，他們首先分析了1nm厚的金剛石殼，其中內(nèi)部包含2.5nm富勒烯的小模型。然而，這種小模型與實驗數(shù)據(jù)并不相符。隨后，研究人員開始對復(fù)合材料進行建模，在金剛石殼的厚度不變時，將其中富勒烯的尺寸增加到15.8nm。X射線衍射光譜的變化表明，富勒烯尺寸的增加使得光譜更接近實驗數(shù)據(jù)。在比較光譜之后，假定在實驗中最可能發(fā)生的是，當模型對內(nèi)部含有富勒烯的金剛石處理時，已經(jīng)獲得了內(nèi)部具有流體靜力學(xué)的壓縮富勒體的無定形碳介質(zhì)。根據(jù)計算的光譜，新模型與實驗數(shù)據(jù)非常相符。

    物理及數(shù)學(xué)專業(yè)博士，項目負責人Pavel Sorokin說：“開發(fā)的模型將幫助我們理解這一獨特性質(zhì)的本質(zhì)，并且能夠幫助我們系統(tǒng)地合成出新型的超硬碳材料，以及有助于推動這個有前途的科學(xué)領(lǐng)域的進一步發(fā)展。”

    富勒烯本身并不堅硬，其體積模量比金剛石的1.5倍還小。但是當它被壓縮的時候，其體積模量迅速增大。為了保持這種增強的體積模量，富勒烯應(yīng)該總是保持這種被壓縮的狀態(tài)。通過使用模擬結(jié)果，科學(xué)家可以通過精確的實驗獲得超硬材料。

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責任編輯：劉洋

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