Недавно Хуйян Гоу (Huiyang Gou), исследователь из Пекинского центра научных исследований высокого давления, и другие ученые синтезировали при высокой температуре и высоком давлении новую форму алмаза - гипокристаллический алмаз (паракристаллический алмаз), который заполняет недостающее звено на шкале атомного расположения между аморфными и кристаллическими структурами и дает ключ к глубокому пониманию сложной структуры аморфных материалов. Результаты исследования были опубликованы 25 ноября в журнале Nature.
В общем случае твердые вещества делятся на кристаллические и аморфные по наличию или отсутствию дальнодействующей периодичности. Однако когда степень дальнего упорядочения в кристаллах значительно снижается, различить эти два состояния становится чрезвычайно сложно, особенно для сильно ковалентных и ковалентоподобных твердых тел.
Чтобы исследовать эту структурную загадку, ученые-теоретики предложили структурную модель субкристаллического состояния, которая, по сути, предполагает внедрение нанометровых среднеупорядоченных структур (MRO) в аморфную матрицу, то есть полностью состоящую из среднеупорядоченных субкристаллов без дальнего упорядочения. Ранее такое состояние вещества не удавалось обнаружить ни в природе, ни в эксперименте.
Благодаря новейшей технологии экстремального высокого давления, разработанной Хуэй-Ян Гоу и его сотрудниками в прессе с большой полостью, высокотемпературная и высоконапорная обработка прекурсоров фуллерена (C60) при температуре и давлении 30 ГПа и 1500-1600 К показала, что сжатый фуллерен при полимеризации превращается в неупорядоченный sp3-связанный углерод высокой плотности. Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения показала наличие в образцах высокоплотных и равномерно распределенных кристаллоподобных кластеров (размером 0,5-1,0 нм) с атомной конфигурацией, близкой к кубическому и гексагональному алмазу, и высоким искажением решетки, т.е. гипокристаллического алмаза.
Чтобы изучить процесс образования гипокристаллического алмаза, исследователи провели крупномасштабное молекулярно-динамическое моделирование структурной эволюции C60 в условиях высокой температуры и высокого давления и создали модель гипокристаллического алмаза, которая хорошо согласуется с экспериментальными результатами. Результаты моделирования показывают, что синтез в основном объясняется двумя факторами: во-первых, тем, что алмаз имеет самый большой параметр тетраэдрического порядка. По сравнению с аморфным кремнием, аморфный алмаз обладает превосходным алмазоподобным упорядочением ближнего радиуса действия в пределах двухатомного слоя координационной оболочки, что облегчает формирование среднеупорядоченных структур; во-вторых, он опирается на структурные характеристики C60, который проходит три основные стадии в своем превращении в гипокристаллический алмаз.
«Результаты моделирования показывают, что гипокристаллический алмаз и аморфный алмаз имеют существенные структурные различия. Оба они не имеют дальнего упорядочения, а на атомном уровне первого лиганда и гипокристаллический, и аморфный алмаз имеют одинаковое упорядочение. Однако в среднем диапазоне масштабов (2-5 атомных слоев) гипокристаллический алмаз гораздо более упорядочен, чем аморфный, хотя упорядоченность постепенно уменьшается». Хонгвей Шенг, соавтор статьи и профессор Университета Джорджа Мейсона, сказал.
«Открытие гипокристаллического состояния, которое связывает аморфное и кристаллическое состояния с точки зрения структурной топологии, имеет далеко идущее значение для раскрытия сложной структурной природы аморфных материалов», - сообщил China Science Daily Танг Ху, первый автор статьи и доктор наук из Пекинского центра научных исследований высокого давления, «Открытие гипокристаллического алмаза добавляет новую структуру к семейству углеродных материалов Открытие гипокристаллического алмаза добавляет новую структурную форму к семейству углеродных материалов, которая сочетает в себе отличные механические свойства, термическую стабильность и уникальные оптические свойства, и имеет важные перспективы применения в областях высоких технологий и экстремальных средах. Это способствует дальнейшей разработке новых алмазоподобных материалов».
