北京時間11月25日，國際頂級學術期刊Nature在線發表了來自中國科學家的兩篇研究論文，一篇是北京高壓科學研究中心研究員緱慧陽等合成了一種新形態的金剛石——次晶金剛石，另一篇是吉林大學劉冰冰教授團隊實現了毫米級近全sp3非晶碳塊體材料的合成，標志著碳材料家族再添兩位新成員。

尋找新型碳材料一直是材料領域的前沿科學問題。作為自然界中最豐富的元素之一，碳具有多種雜化成鍵方式，形成的碳材料結構豐富、性質迥異，應用也極為廣泛。因此，幾乎每一種新碳材料的發現都引發了研究熱潮。

北京高壓科學研究中心研究人員合成的次晶金剛石，填補了非晶結構和晶體結構之間原子排列尺度上的缺失環節，為深層次理解非晶材料的復雜結構提供了密鑰。

次晶態結構模型本質上是在非晶基體中引入納米尺寸的中程有序結構。此前，一直未能在自然界或實驗中發現這種物質狀態。北京高壓科學研究中心研究人員通過其在大腔體壓機中發展的最新極端高壓技術，在30GPa、1500~1600K的溫壓條件下對富勒烯前驅體進行高溫高壓處理。壓縮的富勒烯聚合轉變成為一種高密度無序的sp3鍵合的碳。高分辨透射電子顯微鏡顯示，樣品中存在高密度且均勻分布的類晶體團簇，原子構型接近于立方和六方金剛石，且具有很高的晶格畸變，即次晶金剛石。

次晶金剛石的發現為碳材料家族增加了一種新的結構形態，它兼具優異的機械性能、熱穩定性以及獨特的光學特性，在高端技術領域和極端環境下具有重要的應用前景，有利于進一步開發新型類金剛石材料。

無獨有偶，吉林大學研究人員合成的毫米級近全sp3非晶碳塊體材料，也采用了自主發展的大腔體壓機超高壓關鍵技術。他們采用富勒烯碳籠壓致塌縮形成“非晶碳團簇”這一新的構筑基元，在更高溫壓區間反應合成全sp3碳塊體非晶材料的研究思路，在苛刻的溫壓條件下，合成出高質量、毫米級、透明的近全sp3非晶碳，sp3碳含量最高可達97.1%。

此外，為突破商用大腔體壓機的壓力極限，研究人員利用國產的硬質合金壓砧突破了商用Walker型大腔體壓機的壓力極限，發展了大腔體壓機毫米級樣品腔超高壓產生的關鍵技術，在高溫條件下實現了高達37萬大氣壓的超高壓力，并借此技術首次成功實現了毫米級近全sp3非晶碳塊體材料的合成。

此項突破性成果被Nature審稿人評價為“世界上很少有研究小組的大腔體壓機技術能夠達到這么高的溫壓條件”“非晶材料領域的重大進展”“為超硬材料家族添加了獨特的一員”，“提供了新穎的物理特性表征，對凝聚態物理和化學領域都是原創且極其有趣的”。

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從材料形態和原子排列的有序度分類，碳材料可分為長程有序的晶態碳以及無序的非晶碳。石墨和金剛石就是典型的碳晶體，分別由碳原子通過全sp2成鍵和全sp3成鍵形成。正是由于碳原子雜化方式不同，金剛石與柔軟的石墨性質差異極大。全sp3鍵的金剛石不僅硬度最高，還是集高熱導、寬透光頻帶、寬禁帶等多種優異性能于一體的多功能材料，被稱為“工業牙齒”。而非晶碳材料，目前主要是以sp2鍵為主形成的無定型碳，具有與石墨相似的柔軟、導電等特性。然而，合成與金剛石結構、性質相對應的，由全sp3鍵形成的非晶碳塊體材料卻一直未能實現，是碳材料領域長期未能突破的科學難題。

近年來，非晶材料因展現出如各向同性等不同于晶態材料的顯著特點，越來越受到人們的關注。探索新型非晶材料，建立結構與物性之間的關聯，是非晶材料領域的重要課題。全sp3非晶碳塊體材料的合成對非晶材料領域也具有重要意義。