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        物理學(xué)家發(fā)現新形態(tài)超硬碳簇 可用于電子等領(lǐng)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(tài)(右圖),即在金剛石壓槍內部被超過(guò)40萬(wàn)大氣壓擠壓后的樣子。雖然被擠壓的布基球是無(wú)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(xué)顯微照片顯示的兩個(gè)“環(huán)裂”的凹痕(洋紅色箭頭),這是它被用來(lái)壓縮近33萬(wàn)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(shuō),這種材料幾乎和鉆石一樣堅硬。


        卡內基研究所的王林領(lǐng)導的一組研究人員,觀(guān)察到一種新形式的超硬碳簇,其中同時(shí)存在結晶性和無(wú)序性的結構組合,這是不同尋常的。這項發(fā)現在機械、電子、電化學(xué)使用等領(lǐng)域具有潛在應用價(jià)值。這項研究工作發(fā)表在8月17日的《科學(xué)》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(tài)的碳是晶體狀的,說(shuō)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(wú)序的,這說(shuō)明這種結構缺少長(cháng)距離晶體性的秩序。結合晶體性和無(wú)序性元素的混合結構先前并沒(méi)有被觀(guān)察到過(guò),盡管科學(xué)家們相信這種結構可以被創(chuàng )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(kāi)始于一個(gè)C-60網(wǎng)狀結構的物質(zhì),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(huán)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(gè)新的結構。然后,他們通過(guò)對此結構施加壓力,觀(guān)察它隨外界條件如何變化。


        在相對較低的壓力下,C-60網(wǎng)狀結構能夠保存。但是隨著(zhù)壓力的增加,網(wǎng)狀結構開(kāi)始崩塌成更多無(wú)定形的碳簇。然而無(wú)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(fā)現,有個(gè)狹窄的壓力范圍,大約32萬(wàn)倍的標準大氣壓,在這個(gè)壓力范圍內,這種新型碳結構將被創(chuàng )造出來(lái),即使外施壓力消失也不會(huì )恢復原狀。這將是尋找能夠實(shí)際應用新材料的關(guān)鍵。


        這種材料能夠在高壓條件下使鉆石產(chǎn)生凹陷。這說(shuō)明這種材料是超硬的。


        如果用來(lái)制成新形態(tài)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(shuō)明溶劑對于維持基礎架構的化學(xué)過(guò)渡很重要。正因為有許多相似的溶劑,從理論上講,它是一個(gè)類(lèi)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(shuō),“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(shuō)明它有實(shí)際應用的價(jià)值”。


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