圍繞在我們身邊的固體物質(zhì),無(wú)論是塵埃沙礫還是金屬寶石,其本質(zhì)都是由原子在空間中堆積而成的。而根據(jù)原子的堆積是否有序,固體物質(zhì)又可以被劃分為晶體和非晶體。我們通常認(rèn)為,在晶體材料中原子的排布均勻且規(guī)則,而非晶體的原子排列呈現(xiàn)出普遍的無(wú)序性。
近日,北京高壓科學(xué)研究中心研究員緱慧陽(yáng)等在高溫高壓條件下合成了一種新形態(tài)的金剛石——次晶態(tài)金剛石。該項(xiàng)成果的問世在結(jié)構(gòu)拓?fù)渖湘溄恿朔蔷B(tài)和晶態(tài),對(duì)于揭示非晶材料復(fù)雜的結(jié)構(gòu)本質(zhì)具有深遠(yuǎn)意義。
該研究成果在線發(fā)表于權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志。
在晶體與非晶體之間
圍繞在我們身邊的固體物質(zhì),無(wú)論是塵埃沙礫還是金屬寶石,其本質(zhì)都是由原子在空間中堆積而成的。而根據(jù)原子的堆積是否有序,固體物質(zhì)又可以被劃分為晶體和非晶體。在晶體中,原子在三維空間上具有特定的堆積次序,其晶體結(jié)構(gòu)可以用一個(gè)小的結(jié)構(gòu)單元周期性表達(dá)。且在宏觀視角下,我們無(wú)法分辨出其中的不連續(xù)性,因此我們通常認(rèn)為,在晶體材料中原子的排布是均勻且規(guī)則的。同時(shí),這也使得晶體材料的各個(gè)部分具有相同的物理、化學(xué)性質(zhì)。
而與此相對(duì),非晶體材料中的原子則缺乏長(zhǎng)程的周期性排列,僅存在著短程有序性,即每個(gè)原子只在小范圍內(nèi)與其臨近的原子在排列上呈現(xiàn)出一定的規(guī)則性。因此從宏觀上觀察,其原子排列呈現(xiàn)出普遍的無(wú)序性。而這種非晶體在結(jié)構(gòu)上的差異,也直接導(dǎo)致其在力、聲、光、電、磁、熱等各方面材料性能上表現(xiàn)出極大不同。我們?nèi)粘kS處可見的玻璃便是最典型的非晶體材料之一。
緱慧陽(yáng)表示,傳統(tǒng)意義上一般將原子在0—0.5納米直徑范圍內(nèi)呈現(xiàn)出的有序性稱為短程有序,0.5—2.0納米范圍內(nèi)呈現(xiàn)出的有序性稱為中程有序,大于2.0納米的則稱為長(zhǎng)程有序。但他也提到,在實(shí)際的工作中,更常采用的方法是以有序配位殼層的數(shù)量來定義空間有序性,這是考慮到不同材料之間由于鍵長(zhǎng)等差異導(dǎo)致的空間尺寸差異。
然而物質(zhì)世界變幻無(wú)窮。研究人員發(fā)現(xiàn),當(dāng)溫度升高時(shí),晶體中的長(zhǎng)程有序性會(huì)顯著降低,逐漸向短程有序過渡,此時(shí)理解兩種狀態(tài)之間的差別變得異常困難。
那么對(duì)固體,尤其是強(qiáng)共價(jià)和類共價(jià)固體來說,在長(zhǎng)程有序和短程有序之間,是否存在著一種中間態(tài)?為了探索這一結(jié)構(gòu)之謎,理論科學(xué)家們提出了一種“次晶態(tài)”結(jié)構(gòu)模型。“1930年以來,次晶態(tài)的概念偶爾出現(xiàn)在科學(xué)界,1950年德國(guó)霍斯曼教授基于一些軟物質(zhì)的發(fā)現(xiàn),提出次晶態(tài)作為獨(dú)立于晶體和非晶體的一種狀態(tài)。”緱慧陽(yáng)說,該概念在1980年前后逐漸被推廣到聚合物、膠體、生物材料,甚至一些熔融態(tài)金屬和合金、玻璃中。然而,在共價(jià)鍵合和類共價(jià)鍵合的材料中,科學(xué)家們卻一直未能在自然界或?qū)嶒?yàn)室中發(fā)現(xiàn)這種完全由中程有序的次晶組成,而又不具有長(zhǎng)程有序性的物質(zhì)狀態(tài)。盡管其曾經(jīng)在半導(dǎo)體材料硅中提出過,但含量只有不到18%,而對(duì)于同族的金剛石來說,則一直沒有相關(guān)研究涉及,更沒有實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和證據(jù)。
處理后的富勒烯“不負(fù)眾望”
但科學(xué)界不是沒有過嘗試。自次晶態(tài)概念被提出后,科學(xué)家們一直試圖將這一狀態(tài)從理論概念拓寬到各種各樣的物質(zhì)中。
緱慧陽(yáng)介紹,2017年北京高壓科學(xué)研究中心研究員曾徵丹等便曾利用金剛石對(duì)頂壓機(jī)結(jié)合激光加熱技術(shù),成功在40—50吉帕和1800開爾文的壓強(qiáng)、溫度條件下合成出非晶態(tài)金剛石,然而極高的壓強(qiáng)限制了合成樣品的尺寸。該項(xiàng)成果成功地確定了sp3鍵合的非晶金剛石的真實(shí)存在,并且能夠?qū)⑵浔A粝聛怼?/p>
而且,科學(xué)界與工業(yè)界已經(jīng)掌握了制備納米級(jí)金剛石的技術(shù),且納米金剛石在各個(gè)領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用,具有廣泛的實(shí)用價(jià)值。基于這樣的研究背景,緱慧陽(yáng)團(tuán)隊(duì)決定利用當(dāng)下最先進(jìn)的大腔體高溫高壓技術(shù),突破傳統(tǒng)大體積壓機(jī)的壓力范圍,進(jìn)行30吉帕以上壓強(qiáng)的毫米級(jí)樣品的研究。
緱慧陽(yáng)和團(tuán)隊(duì)選取了不同特點(diǎn)的前驅(qū)物,分別是富勒烯、玻璃碳和洋蔥碳,旨在探索不同前驅(qū)物在高壓下的結(jié)構(gòu)及微結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變過程和路徑。和預(yù)想中的一樣,研究團(tuán)隊(duì)在30吉帕壓強(qiáng)下,1800開爾文以上的高溫范圍內(nèi),觀察到了納米金剛石的形成。但是只有富勒烯在30吉帕和1500—1600開爾文的壓強(qiáng)、溫度條件下出現(xiàn)了能夠保留到常壓的、具有中程有序的非晶金剛石,這是此前從未有過的發(fā)現(xiàn)。
但僅是發(fā)現(xiàn)還不夠,要想對(duì)其進(jìn)行深入細(xì)致的研究,還要求研究者能夠?qū)@種截留的具有中程有序的非晶金剛石進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)表征和模型構(gòu)建。于是,緱慧陽(yáng)及其合作者通過X射線、對(duì)關(guān)聯(lián)函數(shù)、譜學(xué)、透射電鏡等方法對(duì)其結(jié)構(gòu)與微結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征,并采用先進(jìn)的大尺度分子動(dòng)力學(xué)模擬對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比和模型構(gòu)建,最終將其識(shí)別確定為次晶態(tài)金剛石。這種結(jié)構(gòu)的金剛石本質(zhì)上是在非晶基體中引入納米尺寸的中程有序結(jié)構(gòu)。其發(fā)現(xiàn)不僅使研究者深入理解了這種特殊的金剛石,掌握了其獨(dú)特性,更是填補(bǔ)了非晶結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)之間原子排列尺度上的缺失環(huán)節(jié),為深層次理解非晶材料的復(fù)雜結(jié)構(gòu)提供了密鑰。
三個(gè)因素協(xié)調(diào)是關(guān)鍵
緱慧陽(yáng)認(rèn)為,此次能夠成功合成次晶態(tài)金剛石,原因除了非晶金剛石自身具有更高的短程有序性外,還取決于三方面的決定性因素,即對(duì)于前驅(qū)物的選擇、適宜的壓力與溫度以及對(duì)保溫時(shí)間的控制。
在前驅(qū)物的選擇上,緱慧陽(yáng)團(tuán)隊(duì)選擇了碳的三種同素異形體分別進(jìn)行嘗試,并最終在富勒烯上成功取得突破。富勒烯化學(xué)式為C60,由于每個(gè)分子中包含60個(gè)碳原子,并呈現(xiàn)出12個(gè)五邊形所組成的球狀,也被形象地稱為足球烯。
緱慧陽(yáng)向記者分析道,在高壓的作用下,C60分子間的聚合作用為形成高密度的sp3鍵合提供了均勻的形核點(diǎn),這使得在較低的壓力和溫度下形成sp3含量接近100%的非晶金剛石成為可能。而30吉帕甚至更高的壓力則有助于提高形核的密度,再配合以適當(dāng)?shù)臏囟龋隳軌虼龠M(jìn)sp2向sp3轉(zhuǎn)變,并抑制其快速地結(jié)晶。隨后,經(jīng)過適當(dāng)時(shí)間的等溫退火,便可使得非晶金剛石中逐步、動(dòng)態(tài)地出現(xiàn)大量次晶態(tài)。
同時(shí),緱慧陽(yáng)也表示,或許除了富勒烯外,其他兩種前驅(qū)體也可能會(huì)在某個(gè)溫壓區(qū)間內(nèi)生成納米級(jí)次晶金剛石,但僅就目前其所探索的壓強(qiáng)、溫度、時(shí)間范圍內(nèi),尚未捕捉到。因此他認(rèn)為,發(fā)現(xiàn)并成功截留次晶這種亞穩(wěn)狀態(tài)的關(guān)鍵正是在于對(duì)壓強(qiáng)、溫度和時(shí)間的有效把控,只有實(shí)現(xiàn)三者的完美協(xié)調(diào),才能取得理想中的結(jié)果。
另一方面,此次研究能夠取得突破性進(jìn)展,同樣離不開大腔體高溫高壓技術(shù)的發(fā)展。根據(jù)緱慧陽(yáng)介紹,大腔體壓機(jī)技術(shù)目前已經(jīng)相對(duì)成熟,但在常規(guī)的壓力組裝方式下,傳統(tǒng)大腔體壓機(jī)的壓力極限一般為27吉帕。而北京高壓科學(xué)研究中心的科研人員通過改變碳化鎢壓砧的幾何形狀和對(duì)一級(jí)壓砧進(jìn)行精確控制,將壓力提升到了30—50吉帕。同時(shí),緱慧陽(yáng)團(tuán)隊(duì)還利用高質(zhì)量的碳化鎢壓砧,不進(jìn)行任何調(diào)整,優(yōu)化組裝方式,實(shí)現(xiàn)了2000攝氏度下毫米量級(jí)的30吉帕高壓。
除了填補(bǔ)理論上的空白,次晶態(tài)金剛石的合成更具備廣泛的應(yīng)用價(jià)值。次晶態(tài)金剛石除了具有和普通晶體金剛石相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能以外,還有非常獨(dú)特的可調(diào)節(jié)的光學(xué)性能。“這意味著次晶態(tài)金剛石可能會(huì)是一個(gè)極端條件下非常良好的窗口材料。”緱慧陽(yáng)指出,由于次晶態(tài)金剛石具有非常寬的熒光峰和較高的熱穩(wěn)定性,預(yù)期未來將在包括生物醫(yī)學(xué)等在內(nèi)的多個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生更加廣泛的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞: 次晶態(tài)金剛石 非晶材料 結(jié)構(gòu)本質(zhì) 研究成果
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