非晶态材料，继承了相应晶体的中、短程有序，因此，在保持其某些特性的同时仍然表现出新的特性。由于其在技术上的重要应用，人们已经探索并制备了sp2杂化或sp3杂化的无定形碳，但sp3杂化浓度接近100%的块状无定形碳的合成，仍然是一个挑战。这种材料继承了金刚石的中程/短程有序，因此，也应该继承了其优越的性能。
在此，来自吉林大学的姚明光&刘冰冰等研究者，成功地合成了毫米大小的透明且接近纯sp3杂化的非晶碳样品，其体积是之前研究样品的103-104倍，这种样品是在接近笼形崩溃边界的压力下加热富勒烯制备获得的。相关论文以题为“Ultrahard bulk amorphous carbon from collapsed fullerene”于2021年11月24日发表在Nature上。
无定形固体缺乏长程有序，表现出许多优异的力学性能，而且在应用中往往易于成型。这些材料包括天然非晶固体、人造玻璃(氧化物和金属玻璃)、塑料、非晶半导体等，它们早已应用于生产和众多领域中。截至目前，人们提出了要更多地使用其他非晶材料，但由于具有挑战性的合成条件，仍然未得以实现和探索。
无定形碳，由于其可调谐的特性和在应用中的重要性，引起了人们的广泛关注。由于其结合灵活性，sp、sp2或sp3杂化时，碳可形成许多非晶结构。sp2键合玻璃态碳，继承了中短程石墨有序结构并具有导电性，其结构的无序性使其具有高硬度、高强度和低密度的优点。
然而，与容易形成非晶结构的硅和锗相比，sp3杂化非晶碳的合成仍然是一个挑战。sp3键浓度接近100%的非晶碳，可以继承金刚石的中短程结构，并同时继承其优异的性能。即使在非晶碳中加入少量的sp3键，也能显著地改变其性质。
通过高压高温处理玻璃态碳得到的非晶态碳，其sp3含量约22%，表现出更强的韧性和弹性，而超硬的非晶态富sp3相，在高温高压下聚合和部分破坏C60分子，可划伤金刚石顶砧。
因此，人们付出了很大的努力来合成几乎完全sp3结合的非晶碳。目前已有85-88% sp3杂化、硬度为45-88 GPa的类金刚石材料作为薄膜，但由于合成方法的原因往往含有氢。
最近，激光加热玻璃态碳在50 GPa的压力下金刚石顶砧电池产生透明的且sp3结合的碳相，称为非晶金刚石。此外，冲击压缩C60到55 GPa和2000 K产生了另一种富含sp3的非晶相。然而，微观结构表征是有限的样品大小和很少的信息，其性质是已知的。
在此，研究者探索了在大体积压机中，在C60笼型崩溃压力(20-37 GPa)附近进行了HPHT合成实验。研究者发现，在近27 GPa的压力和900-1000℃的温度下，C60成功地合成了毫米大小、透明、几乎完全的sp3杂化非晶碳，并具有许多优异的性能。分析表明，合成的材料由许多随机取向的类金刚石簇组成，具有已知非晶材料中最高的硬度(101.9±2.3 GPa)、弹性模量(1182±40 GPa)和热导率(26.0±1.3 W m−1 K−1)。它的光学带隙从1.85 eV可调到2.79 eV。
图2 不同高温HPHT条件下回收样品的XRD、EELS、UV-可见吸收光谱和原子构型
据悉，这是吉林大学继10月27日之后，再次在Nature正刊发表文章，势头正猛。
刘冰冰，1967年生，教授，博士生导师，现任吉林大学超硬材料国家重点实验室主任。1995年毕业于吉林大学超硬材料国家重点实验室凝聚态物理专业，获理学博士学位，师从邹广田院士。毕业后留校工作，从事碳材料合成及其高压结构研究，其间赴瑞典余默奥大学物理系高压物理研究小组作博士后研究2年，回国后任吉林大学超硬材料国家重点实验室教授、博士生导师。2006年任吉林大学超硬材料国家重点实验室副主任，2015年任吉林大学超硬材料国家重点实验室主任；现任Diamond & Related Materials期刊副主编、中国物理学会高压物理专业委员会秘书长、中国物理学会表面物理专业委员会委员、中国物理光散射专业委员会委员、吉林省物理学会理事。近年来主持了国家重点基础研究发展计划项目（973计划）、国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、瑞典基金会国际合作等项目；在Science、PRL、Adv Mater等SCI 刊物上发表论文400余篇。
研究兴趣：高压下碳基材料的新结构研究、高压下新型含能材料的设计与合成、高压下低维材料的结构与物性；压力/温度调控强关联体系的绝缘-金属化转变、半导体纳米材料高压下的非线性光学性质、高压原位实验技术。
荣誉奖励：刘冰冰教授，长春市劳动模范，吉林省高级专家。2009年入选教育部特聘教授，2010年获国家杰出青年基金，2011年荣获中国青年女科学家奖，2012年入选科技部“创新人才推进计划”中青年科技创新领军人才，2014年入选中组部“万人计划”、国家百千万人才工程。2014年获国家自然科学二等奖1项，多次获吉林省自然科学一等奖。
姚明光，博士，教授，国家优秀青年基金获得者。2002年吉林大学物理系获学士学位；2007年吉林大学获凝聚态物理博士学位；2007至2010年先后在瑞典于墨奥大学和法国里昂第一大学从事博士后研究，2010年被引进回到吉林大学工作。2018至2019年受“培英工程”资助在美国卡耐基地球物理实验室进行访问研究。长期从事高压下碳材料的研究，在碳的高压结构相变、新型超硬碳材料等方面取得了系列重要进展，获得了可常压截获的全新sp3超硬碳(V碳)、系列非晶碳簇构筑的长程有序3D新结构，发现了透明的超硬玻璃碳高压相，并发展了相应的高压原位光谱研究新方法，解决了高压下一维结构相转变以及强度原位测量等研究中的若干难题。迄今在PRL、Adv Mater、PRB等科学杂志上发表SCI论文100余篇。研究工作被正面评价和引用，SCI他引九百余次。部分成果获得了吉林省自然科学一等奖（排名2，2018年）、中国高压会议优秀青年论文奖等奖励。2012年获得省首批“春苗科研人才”，2015年获得“霍英东青年教师基金”，2017年获得“唐敖庆青年人才奖励基金”，2018年获得“国家自然科学基金优秀青年基金”。
研究兴趣：碳及相关材料的高压结构、物性研究；超硬材料的高压合成
荣誉奖励：国家自然科学基金优秀青年基金、霍英东青年教师基金、唐敖庆青年人才奖励基金、吉林省首届春苗科研人才、第16届中国高压物理会议优秀青年论文奖、吉林省自然科学一等奖、吉林大学首届 “培英”工程计划。
Shang, Y., Liu, Z., Dong, J. et al. Ultrahard bulk amorphous carbon from collapsed fullerene. Nature 599, 599–604 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03882-9
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03882-9
http://nlshm-lab.jlu.edu.cn/info/1074/1304.htm
http://nlshm-lab.jlu.edu.cn/info/1074/1242.htm
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