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 文｜陳根

一般情況下，固體根據是否存在長程周期性，可被分為結晶態和非結晶態。當晶體的長程有序度顯著降低時，理解這兩種狀態之間的差別就會變得十分困難，特別是對于強共價和類共價固體。

為此，科學家們提出了一種“次晶態結構模型”。這種“次晶模型”的本質是在非晶基體中引入納米尺寸的次晶晶格來解釋非晶態晶體的中程有序結構，即完全由中程有序的次晶組成，又不具有長程有序性。遺憾的是，這種物質狀態一直未能在自然界或實驗中發現。

近日，北京高壓科學研究中心的科學家們在高溫高壓條件下合成了一種新形態的金剛石—次晶金剛石，該物質不僅在結構拓撲上鏈接了非晶態和晶態，還顯示出優越的力學性能和熱穩定性，對于揭示非晶材料復雜的結構本質具有深遠意義。

團隊人員使用富勒烯作為原料，通過自主開發的大腔體壓機極端高壓技術對富勒烯進行高溫高壓處理。結果發現，壓縮的富勒烯聚合轉變成為一種高密度無序的碳。高分辨透射電子顯微鏡下，其原子構型接近于立方和六方金剛石，并且具有很高的晶格畸變。

為了進一步證明該物質，科學家們又用大尺度分子動力學模擬了這種隱藏的結構有序性，得到的實驗結果與次晶金剛石模型高度匹配。也就是說，這種由亞納米尺寸次晶為主要構成的金剛石就是科學家們一直在尋找的次晶金剛石。

可以說，次晶金剛石的合成，高度依賴于富勒烯前驅物的本身結構特點。與非晶硅相比，非晶金剛石在兩個原子配位殼層內存在超強的類金剛石短程有序性，這一特征有利于中程有序結構的形成。

值得一提的是，次晶金剛石是目前非晶材料中發現的硬度和熱導率最高的材料，在高端技術領域和極端環境下具有重要的應用前景，也有利于更深入的了解開發新型類金剛石材料。

目前，相關研究成果“Synthesis of paracrystalline diamond”，已發表在《自然》雜志上。