近日，由燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點實驗室高壓科學(xué)中心的田永君院士課題組趙智勝等人與國內(nèi)外科學(xué)家合作，在新型非晶碳材料研究方面取得重要進展。研究成果以“Discovery of carbon-based strongest and hardest amorphous material”為題，在2021年8月5日的《National Science Review》上發(fā)表。
圖片來自NSR官網(wǎng)
該實驗室成功合成新型非晶材料（AM－III），據(jù)專家介紹，AM－III密度與金剛石相當(dāng)，維氏硬度HV高達(dá)113 GPa，可劃傷單晶金剛石。
用AM－III刻劃金剛石（001）面留下的劃痕
圖片來自燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點實驗室 迄今為止發(fā)現(xiàn)的最硬的非晶材料
碳是構(gòu)成有機生命體的基礎(chǔ)元素，對人類的生存、日常生活和物質(zhì)生產(chǎn)均發(fā)揮著不可或缺的獨特作用。碳具有多種同素異形體，目前已知的有石墨、金剛石、富勒烯、碳納米管、石墨烯、石墨炔等。這些碳的同素異形體展現(xiàn)出了非常獨特的物理化學(xué)特性，它們的出現(xiàn)極大地推動了科技的發(fā)展。一直以來，人們探索新型碳材料的腳步從未停止過。
在此次研究中，田永君院士課題組與國內(nèi)外科學(xué)家合作，采用富勒烯C60在高溫高壓下截獲了一種sp2-sp3混合雜化的新型非晶碳（AM-III）材料。
AM-III的密度高達(dá)3.30 g/cm3，與金剛石相當(dāng)；其維氏硬度HV高達(dá)113 GPa，努氏硬度為72 GPa，可刻劃單晶金剛石的（001）面（HV=103 GPa）；其納米壓痕硬度為103 GPa，高于文獻報道的類金剛石非晶碳薄膜（ta-C）的最高硬度值；其微米尺度柱體的壓縮強度高達(dá)70 GPa，與金剛石相媲美。因此，這是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最硬、最強的非晶材料。
什么是非晶材料
非晶材料也叫玻璃態(tài)材料，是一大類剛性固體，人們生活中常見的玻璃，即是一種典型的非晶材料。
經(jīng)過研究，非晶材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒有“空間點陣”特點，而與液態(tài)的結(jié)構(gòu)類似。只不過“類晶區(qū)”彼此不能移動，造成玻璃沒有流動性。因此將這種狀態(tài)稱為“非晶態(tài)”。嚴(yán)格地說，“非晶態(tài)固體”不屬于固體，因為固體專指晶體；它可以看作一種極粘稠的液體。因此，“非晶態(tài)”可以作為另一種物態(tài)提出來。除普通玻璃外，“非晶態(tài)”固體還很多，常見的有橡膠、石蠟、天然樹脂、瀝青和高分子塑料等。
非晶材料具有和晶態(tài)物質(zhì)可相比較的高硬度和高粘滯系數(shù)，但其組成的原子、分子的空間排列不呈現(xiàn)周期性和平移對稱性，晶態(tài)的長程有序受到破壞；只是由于原子間的相互關(guān)聯(lián)作用，使其在幾個原子（或分子）直徑的小區(qū)域內(nèi)具有短程序。
作為一類特殊結(jié)構(gòu)的剛性固體，非晶材料具有比一般金屬都高的強度，強度的尺寸效應(yīng)很小，且彈性比一般金屬好,彎曲形變可達(dá)50%以上，硬度和韌性也很高。
未來應(yīng)用
由于非晶材料具有光吸收系數(shù)高、基片材料限制小、性能易于擴展、制作工藝簡單等優(yōu)點，因而作為敏感功能材料倍受青睞，現(xiàn)已日益廣泛應(yīng)用于各種傳感器。到目前為止，傳感器中應(yīng)用的敏感功能材料多為單晶材料，特別是物理類傳感器更是如此。例如，光敏傳感器一直就是用Si、GaAs之類的單晶半導(dǎo)體。
對于AM-III而言，它是一類光學(xué)透明的半導(dǎo)體材料，帶隙介于1.5-2.2 eV之間，與最常用的半導(dǎo)體非晶硅（a-Si:H）薄膜的帶隙相當(dāng)，在光伏領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。
在精密加工領(lǐng)域，AM-III或許也將大有用途，由于其硬度極高，理論上加工出來的刀刃可以達(dá)到原子尺寸級別的平直度和鋒利度，或許可用于原子核反應(yīng)堆及精密光學(xué)儀器的反射鏡、計算機硬盤、導(dǎo)彈或太空飛行器的導(dǎo)航陀螺和加速器電子槍等超精密鏡面零件。
目前，該成果已獲得中國發(fā)明專利（專利號：ZL201910085279.0）和日本專利（專利號：JP2020-009244）授權(quán)。
（來源：中技所研究發(fā)展部）