由北京高壓科學研究中心的緱慧陽研究員帶領的國際研究小組在高溫高壓條件下，合成了一種新形態的金剛石——次晶金剛石 （Paracrystalline diamond），這種新形態的結構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。此成果猶如科學的羅賽塔石，對深層次理解非晶材料的復雜結構提供了解密的鑰匙。該項工作以“Synthesis of paracrystalline diamond”為題于11月25日發表在頂尖科學雜志Nature上。（DOI：10.1038/s41586-021-04122-w）。

一般來說，根據是否存在長程周期性，我們把固體分為結晶態和非結晶態。然而，當晶體中的長程有序度顯著降低時，理解這兩種狀態之間的差別變得異常困難，特別是對于強共價和類共價固體。為了探索這一結構之謎，理論科學家們提出了一種“次晶態”的結構模型。這種“次晶模型”本質上是在非晶基體中引入納米尺寸的中程有序結構。然而，科學家們一直未能在自然界或實驗中發現這種物質狀態 — 完全由中程有序的次晶組成，而又不具有長程有序性。

北京高壓科學研究中心緱慧陽研究員與合作者通過他們最新在大腔體壓機中發展的極端高壓技術，在30 GPa，1500-1600 K的溫壓條件下對富勒烯（C60）進行高溫高壓處理，發現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（尺寸為0.5-1.0 nm），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，這種由亞納米尺寸次晶為主要構成的金剛石被稱為次晶金剛石（Paracrystalline diamond）。

 “次晶金剛石的發現為豐富的碳材料家族增加了一種新的結構形態，并且有利于進一步開發新型類金剛石材料”，該工作第一作者唐虎博士解釋說。“至關重要的是，這種次晶態的發現，在結構拓撲上鏈接了非晶態和晶態，對于揭示非晶材料復雜的結構本質具有深遠意義。另外，次晶態金剛石具有綜合優異的機械性能、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”。

為了探索次晶金剛石的形成過程，該團隊對C60在高溫高壓條件下結構演變進行了大尺度的分子動力學模擬，建立了與實驗結果高度匹配的次晶金剛石模型。模擬結果表明次晶金剛石的合成主要歸功于兩個主要的因素：其一、由于金剛石具有最大的四面體序參量。與非晶Si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行成。其二、次晶金剛石的形成高度依賴于前驅物富勒烯的結構特點。

“我們模擬的結果顯示次晶金剛石和非晶金剛石具有顯著的結構差異。由于大量的次晶存在，這種金剛石中存在明顯的結構獨特性。次晶金剛石和非晶金剛石都不具有長程有序性，且在第一個配位原子層，次晶金剛石和非晶金剛石同時具有相似的有序性。然而，在中程尺度范圍（2-5原子層），次晶金剛石的有序性雖然在逐步降低，但是有序性遠高于非晶金剛石”， 生紅衛教授解釋道。

該工作的通訊作者為高科中心緱慧陽研究員和美國喬治梅森大學的生紅衛教授。相關工作得到了廈門大學王鳴生教授、高科中心曾徵丹研究員、德國拜羅伊特大學Tomoo Katsura教授，袁曉紅博士、程勇博士、費宏展博士、劉扶陽博士、梁濤博士、Takayuki Ishii研究員的大力支持和幫助。這一工作獲得國家自然科學基金委的部分支持。