由北京高壓科學研究中心的緱慧陽研究員帶領的國際研究小組在高溫高壓條件下，合成了一種新形態的金剛石——次(ci)晶(jing)(jing)金剛石 （Paracrystalline diamond），這種新形態的結(jie)構(gou)(gou)填補(bu)了非晶(jing)(jing)結(jie)構(gou)(gou)和(he)晶(jing)(jing)體結(jie)構(gou)(gou)之(zhi)間原子(zi)排列尺度上的缺失環節。此成果(guo)猶如科(ke)學的羅賽塔石，對深層次(ci)理解(jie)非晶(jing)(jing)材料的復雜(za)結(jie)構(gou)(gou)提供了解(jie)密的鑰匙。該項工作(zuo)以“Synthesis of paracrystalline diamond”為題于11月25日發表在頂尖科(ke)學雜(za)志(zhi)Nature上。（DOI：10.1038/s41586-021-04122-w）。

一(yi)般來說，根據(ju)是(shi)否存在(zai)長程周期性(xing)，我們(men)把(ba)固(gu)體分為結晶(jing)態(tai)和(he)(he)非結晶(jing)態(tai)。然(ran)(ran)而，當晶(jing)體中的(de)長程有(you)序度顯著降低時，理解這兩種狀(zhuang)態(tai)之(zhi)間的(de)差(cha)別變得異常困難，特別是(shi)對于強共價和(he)(he)類共價固(gu)體。為了探索這一(yi)結構之(zhi)謎，理論科(ke)學(xue)家們(men)提(ti)出了一(yi)種“次(ci)(ci)晶(jing)態(tai)”的(de)結構模型。這種“次(ci)(ci)晶(jing)模型”本質上是(shi)在(zai)非晶(jing)基體中引入納米尺寸的(de)中程有(you)序結構。然(ran)(ran)而，科(ke)學(xue)家們(men)一(yi)直未(wei)能(neng)在(zai)自然(ran)(ran)界或實(shi)驗中發現這種物質狀(zhuang)態(tai) — 完全由中程有(you)序的(de)次(ci)(ci)晶(jing)組成，而又(you)不具有(you)長程有(you)序性(xing)。

北京高(gao)(gao)壓(ya)(ya)科學(xue)研究中(zhong)心緱慧陽研究員與合作者通過他們最新在大腔體壓(ya)(ya)機中(zhong)發(fa)展的(de)極端高(gao)(gao)壓(ya)(ya)技術，在30 GPa，1500-1600 K的(de)溫(wen)壓(ya)(ya)條件下對富(fu)勒烯（C60）進(jin)行(xing)高(gao)(gao)溫(wen)高(gao)(gao)壓(ya)(ya)處理，發(fa)現壓(ya)(ya)縮的(de)富(fu)勒烯聚(ju)合轉(zhuan)變成為(wei)一(yi)種(zhong)高(gao)(gao)密(mi)度無序的(de)sp3鍵合的(de)碳。高(gao)(gao)分(fen)(fen)辨透射電子顯(xian)微鏡顯(xian)示樣品中(zhong)存在高(gao)(gao)密(mi)度且均勻分(fen)(fen)布(bu)的(de)類晶(jing)體團簇（尺寸(cun)為(wei)0.5-1.0 nm），其原子構型(xing)接(jie)近(jin)于(yu)立方和六(liu)方金(jin)剛(gang)石(shi)并且具(ju)有(you)很高(gao)(gao)的(de)晶(jing)格畸變，這種(zhong)由亞(ya)納(na)米尺寸(cun)次(ci)晶(jing)為(wei)主(zhu)要構成的(de)金(jin)剛(gang)石(shi)被(bei)稱為(wei)次(ci)晶(jing)金(jin)剛(gang)石(shi)（Paracrystalline diamond）。

 “次(ci)晶(jing)(jing)金剛石的(de)發現為豐富(fu)的(de)碳材(cai)料家族增加了(le)一(yi)種新(xin)的(de)結構形態(tai)，并且有利于進一(yi)步(bu)開發新(xin)型類金剛石材(cai)料”，該工作第一(yi)作者唐虎博士解釋說。“至關重(zhong)要的(de)是，這(zhe)種次(ci)晶(jing)(jing)態(tai)的(de)發現，在結構拓撲上鏈(lian)接了(le)非晶(jing)(jing)態(tai)和晶(jing)(jing)態(tai)，對(dui)于揭示非晶(jing)(jing)材(cai)料復雜的(de)結構本(ben)質(zhi)具有深遠意義。另外，次(ci)晶(jing)(jing)態(tai)金剛石具有綜合優(you)異的(de)機械性(xing)能、熱穩定性(xing)以及獨特的(de)光學(xue)特性(xing)，在高端技術領域和極端環境(jing)下(xia)具有重(zhong)要的(de)應用前(qian)景”。

為了探索次(ci)(ci)晶(jing)(jing)金剛(gang)(gang)石(shi)的(de)(de)(de)形(xing)成過程(cheng)，該團(tuan)隊(dui)對C60在高(gao)溫高(gao)壓條件下結構演變進行(xing)了大尺度的(de)(de)(de)分子動力學模(mo)擬，建立(li)了與(yu)實(shi)驗(yan)結果高(gao)度匹配(pei)(pei)的(de)(de)(de)次(ci)(ci)晶(jing)(jing)金剛(gang)(gang)石(shi)模(mo)型。模(mo)擬結果表明次(ci)(ci)晶(jing)(jing)金剛(gang)(gang)石(shi)的(de)(de)(de)合(he)成主要(yao)歸功于(yu)兩(liang)個主要(yao)的(de)(de)(de)因(yin)素：其(qi)一、由于(yu)金剛(gang)(gang)石(shi)具有最大的(de)(de)(de)四面體序參(can)量。與(yu)非晶(jing)(jing)Si相比(bi)，非晶(jing)(jing)金剛(gang)(gang)石(shi)在兩(liang)個原子配(pei)(pei)位殼層內(nei)存(cun)在超強的(de)(de)(de)類(lei)金剛(gang)(gang)石(shi)短程(cheng)有序性，這一特征有利(li)于(yu)中程(cheng)有序結構的(de)(de)(de)行(xing)成。其(qi)二、次(ci)(ci)晶(jing)(jing)金剛(gang)(gang)石(shi)的(de)(de)(de)形(xing)成高(gao)度依賴于(yu)前(qian)驅物富勒烯(xi)的(de)(de)(de)結構特點。

“我們模(mo)擬(ni)的結果顯(xian)(xian)示次晶(jing)(jing)(jing)金(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)和(he)(he)(he)非晶(jing)(jing)(jing)金(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)具有顯(xian)(xian)著的結構差(cha)異。由于大量的次晶(jing)(jing)(jing)存在(zai)，這種金(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)中存在(zai)明顯(xian)(xian)的結構獨特性(xing)。次晶(jing)(jing)(jing)金(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)和(he)(he)(he)非晶(jing)(jing)(jing)金(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)都不(bu)具有長程有序性(xing)，且在(zai)第一個配位原子層(ceng)，次晶(jing)(jing)(jing)金(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)和(he)(he)(he)非晶(jing)(jing)(jing)金(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)同(tong)時具有相似的有序性(xing)。然(ran)而(er)，在(zai)中程尺度范圍（2-5原子層(ceng)），次晶(jing)(jing)(jing)金(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)的有序性(xing)雖然(ran)在(zai)逐(zhu)步降低，但是有序性(xing)遠高于非晶(jing)(jing)(jing)金(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)”， 生紅(hong)衛教授解釋(shi)道。

該工作(zuo)(zuo)(zuo)的通訊作(zuo)(zuo)(zuo)者為(wei)高(gao)科(ke)中心(xin)緱慧(hui)陽(yang)研究員和美國喬治梅森大(da)學(xue)(xue)的生(sheng)紅(hong)衛教(jiao)授(shou)。相關工作(zuo)(zuo)(zuo)得到了廈(sha)門大(da)學(xue)(xue)王鳴生(sheng)教(jiao)授(shou)、高(gao)科(ke)中心(xin)曾徵丹研究員、德國拜羅伊特大(da)學(xue)(xue)Tomoo Katsura教(jiao)授(shou)，袁曉紅(hong)博(bo)士(shi)、程勇博(bo)士(shi)、費宏(hong)展博(bo)士(shi)、劉(liu)扶陽(yang)博(bo)士(shi)、梁(liang)濤博(bo)士(shi)、Takayuki Ishii研究員的大(da)力支(zhi)持(chi)(chi)和幫助。這一工作(zuo)(zuo)(zuo)獲得國家自然科(ke)學(xue)(xue)基金委的部分支(zhi)持(chi)(chi)。