高压下，碳材料的神奇“逆袭”

历帅

说起最硬的物质，大部分人脑海里浮现出的都是金刚石，也就是鉆石。但是近日，中国科学家在高温高压条件下，利用碳材料，研制出了一种全新的非晶体物质。这种物质不仅硬度超过了金刚石，而且具备金刚石不具备的韧性，以及半导体特性。让我们一起来认识一下，这种神奇的新材料吧！

石墨和金刚石的原子结构示意图

碳是地球上常见的元素，也是构成有机生命体的基础元素。碳可以形成各种具有不同性质的同素异形体，例如我们熟悉的石墨和金刚石（钻石）。二者虽同质为碳，但其原子结构不同，物理性能也完全不同——铅笔芯和金刚石钻头就很直观地体现出一个的“软”与一个的“硬”。

为什么会产生这样的性能差异？如何合成更多具有奇异性质的碳材料？这些问题一直激发着科学家的研究热情，推动着碳材料科学的发展。随着富勒烯、石墨烯、碳纤维、碳纳米管、石墨炔等碳同素异形体的问世，碳材料逐渐占领了21世纪材料学的大舞台。

在传统认知中，金刚石坚硬无比，常常被用作玻璃材料的切割工具。近日，中国燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室研究团队利用高温高压手段，合成了一种新型非晶碳（玻璃态）材料——AM-III，用它可以划伤金刚石。

用AM-III 刻划金刚石留下的划痕

玻璃态材料是如何实现“逆袭”的呢？从材料学角度看，除了石墨之外的其他碳形式都是亚稳材料（亚稳材料是指热力学上处于亚稳状态的一大类材料物质，亚稳状态即包括原子、离子、自由基、化合物等在内的各种化学物种，在某种条件下，介于稳定和不稳定之间的一种化学状态）。通过科学手段获得亚稳碳材料是制备新型碳材料的重要途径。

这里特别介绍一下“高压”这种材料制备手段。高压下，物质内部的原子结构和能量状态会发生变化，实现材料微观结构和性能的调控，从而设计并合成具有特殊结构和性能的新型亚稳材料。

科研人员通过高温高压实验，合成了包括纳米孪晶金刚石（nt-diamond）、纳米孪晶氮化硼（nt-cBN）以及非晶碳（AM-III）等极硬材料，不断向金刚石最硬材料的“王者地位”发起挑战。

在AM-III的合成实验中，研究人员以富勒烯C60为原料，通过高温高压使其破碎转变成非晶态，再经过淬火从中截留亚稳态的非晶碳材料。

高温高压下富勒烯C60非晶化的结构转变示意图

具体来讲，富勒烯C60是一种亚稳的球形分子晶体，压力和温度的升高会导致分子球破碎成小碎片或团簇，最后在高温高压的驱使下，这些微结构重新排布、成键，形成崭新的、高密度的非晶碳结构。

这是一种全新的、目前已知最硬最强的半导体性非晶碳材料，不仅具有可媲美单晶金刚石的极高硬度、压缩强度和热稳定性，而且其带隙仅有金刚石带隙的2/5，与最常用的半导体非晶硅（a-Si：H）薄膜的带隙相当。如此结合了优越的力学性能与半导体性能的新型材料有望在光伏领域大展身手。

这种高性能非晶碳，是中国自主研发的新型“明星材料”，刷新了人们对非晶碳结构的认知，令科学界兴奋。未来，中国科学家还将研发更多新型非晶碳材料，让我们拭目以待！

（责任编辑 / 高琳  美术编辑 / 周游）