素有“硬度之王”之称的金刚石也有颗“玻璃心”

2017-09-05 化学加

综合 | 科技日报（2017-9-4）编辑 | 化学加

导读

　素有“硬度之王”之称的金刚石也有“脆弱”的一面：作为一种晶态材料，规整排列的原子结构导致其性质具有很强的方向性。换言之：有些方向硬度特别大，而有些方向则相对较弱。北京高压科学研究中心曾徵丹研究员的团队最近合成出了一种原子无序排列的新型碳材料——玻璃态金刚石则很好地弥补了传统金刚石的这一缺点。该材料硬度可以像金刚石那样高，各个方向性质又能很均匀，或可成为“无懈可击”的新材料。相关研究成果近期发表在《自然·通讯》杂志上。

金刚石是天然存在的硬度最高的材料，同时还具有最高的弹性模量（体模量），最高的原子密度、最高的热导率等优异性质。这些优异性能和其特殊结构有关。本研究采用玻璃碳（glassy carbon）作为起始材料，利用高压原位激光加温技术首次成功合成了块体状的100% sp³ 共价键的新型非晶态碳材料。通过同步辐射x 射线衍射、高分辨电子显微镜及电子能量损失谱等多种实验手段，一致证明这种新型碳材料具有典型非晶态结构，且材料内部所有碳原子间的共价键都是sp³ 键，因而是真正的“非晶态金刚石”。
非晶态金刚石的合成说明金刚石并不是唯一的全部碳原子都以sp³ 键结合的碳材料，改变了我们对碳材料的传统认知。“非晶态金刚石”由于其无序的原子结构而具备非晶材料各向同性的特点，且材料内部不存在晶界、位错等传统晶体缺陷，又因高强度sp³共价键的存在而很可能具备接近甚至超越单晶金刚石的优异性能（高压原位同步辐射x 射线衍射实验已经证实其体模量高于金刚石），作为一种新型的超硬材料，可能在众多科学技术领域取得重要应用。
曾徵丹3日在接受科技日报记者采访时表示，碳原子的排列非常灵活，可以像搭积木，不同的排列组合，可形成性能和结构迥异的各种碳材料，金刚石和石墨就是典型的例子。碳原子的这种特性也给予了寻找新型碳材料极大的探索空间。
金刚石俗称“钻石”，是自然界天然最硬的材料，具备最高热传导率以及熔点和可见光折射率极高等特性。这些优异性质主要源于其内部每个碳原子都和相邻4个碳原子形成的强度极高的化学键，而其“缺点”则多来自规则整齐（晶态）的原子排列导致的性质在方向上的不均匀。有没有一种办法可以弥补这一缺点？
近日，曾徵丹团队在约50万个大气压，1500摄氏度温度下首次合成出块状的玻璃态金刚石。这种新材料内部化学键和传统金刚石一样，同时也拥有一颗“玻璃心”——内部原子排列被证明是高度无序的。因此，它既具备跟金刚石可以媲美的极高强度，又像玻璃一样沿任意方向性质都很均匀，有望成为已知最强的玻璃材料。
“玻璃心”的金刚石的问世，也让你在选择“钻石恒久远，一颗永流传”的钻戒时多了一个选择：“请问您要选择晶态还是玻璃态的？”