上海光源BL15U1线站用户发现新的单斜sp3超硬碳结构

近日，吉林大学超硬材料国家重点实验室刘冰冰教授课题组在碳的高压新结构研究方面取得重要突破，该项成果以“Novel Superhard sp3 Carbon Allotrope from Cold-Compressed C₇₀ Peapods”为题在物理学权威学术期刊《物理评论快报》上发表（PRL, DOI:10.1103/PhysRevLett.118.245701）。

碳材料是材料科学研究的前沿。碳原子因其丰富的成键方式具有多种结构和性能迥异的同素异形体，在人类科学发展和实际应用中发挥了重要作用。碳材料研究不仅促进了材料科学的发展，也推动了高压技术和纳米技术的进步。探索新的碳结构是碳材料研究领域的热点问题，特别是寻找性能可与金刚石相比拟甚至更优的新型sp3结构碳材料一直是人们非常关注的课题。人们在实验上的早期进展是在冷压石墨中发现了后石墨相和冷压碳纳米管中形成的超硬碳结构，遗憾的是，这两种高压相结构衍射信号都很弱，后石墨相还不能保持到常压，结构无法确定，由此引发了后续大量的理论研究，给出了很多候选结构，但结构并没有得到实验的确认，一直处于争论中，实验上合成新的sp3碳材料也一直没有大的突破。

刘冰冰课题组长期开展富勒烯等碳材料的高压新结构和新性质研究，取得了多项创新结果，发表在Science、PNAS、Adv Mater等刊物上。在该工作中，不同于前人实验中使用的仅包含碳六元环的石墨和碳纳米管前驱物，课题组巧妙地选择包含碳五元环的C70限域碳纳米管复合材料（C₇₀豆荚）作为前驱体，对其开展了原位超高压研究，获得了常压可截获的、完全不同于金刚石的全sp3超硬新碳结构。利用高压原位拉曼光谱、同步辐射X射线衍射等实验技术，结合理论计算，获得了产生新型碳相的直接实验证据。同步辐射X射线衍射给出了强的晶体衍射信息，衍射峰不属于以往报道的任何碳结构，而是一种新的、具有单斜结构的全sp3碳相（命名为V carbon），能量仅略高于金刚石，具有与金刚石相媲美的硬度，并给出了C70豆荚材料向V carbon转变的物理图像，发现初始材料含有的奇数碳环对V carbon的形成起到了重要的作用。该研究成果将启发人们设计和利用新型前驱物结合高压技术构筑具有优异性能的新型碳材料，为新型多功能材料的研发提供了全新思路。

相关同步辐射X射线衍射实验在上海光源BL15U线站完成，高质量的XRD衍射数据保证了新碳结构的确定。该研究工作得到了国家自然科学基金、创新团队发展计划项目及吉林大学研究生创新研究计划项目的资助。（先进成像与工业部 供稿）

　　（a）不同压力下C₇₀豆荚的拉曼光谱；（b）C₇₀豆荚在常压和68Gpa泄压后的衍射谱变化； 

（c）泄压后C₇₀豆荚的透射电镜照片；（d）泄压后C₇₀豆荚的高分辨透射电镜照片。