吉林大学刘冰冰教授研讨团队选用自主开展的大腔体压机超高压要害技能，初次成功完结了毫米级近全sp3非晶碳块体资料的组成。

  北京时间2021年11月25日清晨00时，吉林大学刘冰冰教授团队在世界尖端学术期刊Nature上宣布了题为“Ultrahard bulk amorphous carbon from collapsed fullerene”的新效果。

  课题组选用自主开展的大腔体压机超高压要害技能，使用C60碳笼压致塌缩构成的“非晶碳团簇”这一新的构筑基元，探究了其在20-37 GPa压力规模内的温压反响相图，初次成功完结了毫米级近全sp3非晶碳块体资料的组成。

  从资料形状和原子摆放的有序度分类，碳资料可分为长程有序的晶态碳以及无序的非晶碳。石墨和金刚石便是典型的碳晶体，分别由碳原子经过全sp2成键和全sp3成键构成。正是因为碳原子杂化办法不一样，金刚石与柔软的石墨性质差异极大。全sp3键的金刚石不只硬度最高，仍是集高热导、宽透光频带、宽禁带等多种优异功能于一体的多功能资料，被称为“工业牙齿”。而非晶碳资料，现在首要是以sp2键为主构成的无定型碳，具有与石墨类似的柔软、导电等特性。但是，组成与金刚石结构、性质相对应的，由全sp3键构成的非晶碳块体资料却一向未能完结，是碳资料范畴长时间未能打破的科学难题。近年来，非晶资料因展现出如各向同性等不同于晶态资料的显著特点，渐渐的遭到人们的重视。探究新式非晶资料，树立结构与物性之间的相关，对错晶资料范畴的重要课题。全sp3非晶碳块体资料的组成对非晶资料范畴也具有极端重大意义。

  提出了选用大腔体超高压技能，使用C60碳笼压致塌缩构成“非晶碳团簇”这一新的构筑基元，在更高温压区间反响组满意sp3碳块体非晶资料的研讨思路。

  但是商用大腔体压机的压力极限只要25万大气压，难以满意对新资料高压研讨的要求。因而，打破商用大腔体压机的压力极限，开展更高温压规模的大腔体压机技能至关重要。怎么样才干处理超高压与大腔体二者技能方面的要求的对立，是问题的要害, 也是世界公认的技能难点。课题组近年来悉心攻关，初次使用国产的硬质合金压砧打破了商用Walker型大腔体压机的压力极限，开展了大腔体压机毫米级样品腔超高压发生的要害技能，在高温条件下完结了高达37万大气压的超高压力【Chin. Phys. Lett.2020, 37, 080701】，并借此技能初次成功完结了毫米级近全sp3非晶碳块体资料的组成。相关重要效果如下：

  1)初次完结了近全sp3非晶碳块体资料的组成：初次给出富勒烯C60在高温超高压区间（20-37 GPa）的反响相图，在严苛的温压条件下，组成出了高质量、毫米级、通明的近全sp3非晶碳，sp3碳含量最高可达97.1%。

  2)破解了近全sp3非晶碳的结构难题：经过同步辐射技能与高分辩电镜技能结合，发现其是由具有短/中程序的四配位类金刚石sp3碳团簇构成的非晶结构。

  3)发现了近全sp3非晶碳具有优异才能的力、热、光学功能，创下多项非晶资料之最：近全sp3非晶碳的光学带隙高达2.7 eV；维氏硬度高达102 GPa（9.8 N载荷下），杨氏模量到达1182 GPa，可与金刚石相媲美；热导率高达26 W/mK，是现在非晶资料中发现的硬度、热导率、模量最高的资料。

  4)完结了非晶碳sp3含量与功能的精密调控：经过改动压力完结了对非晶碳中sp3含量的调控，发现了非晶碳sp3含量与光学带隙、热导率的正相关规则，获得了系列光学带隙可调（1.8 eV-2.7 eV）的非晶碳资料，比非晶硅、锗具有更大的带隙以及调控规模，为非晶资料的使用拓荒了新的空间。

  这些打破性效果被Nature审稿人高度评价为“世界上很少有研讨小组的大腔体压机技能能到达这么高的温压条件”，“非晶资料范畴的重大进展”，“为超硬资料宗族添加了一起的一员”，“供给了新颖的物理特性表征，对凝聚态物理和化学范畴都是原创且极端风趣的”。值得一提的是，富勒烯C60发现至今已有30多年前史，刘冰冰教授研讨团队自1996年起一向从事富勒烯及相关碳资料的高压研讨。经过长时间尽力，课题组不断为这个“80后”的零维碳资料注入新鲜生机。早在2006年，课题组便取得了系列打破，获得了多种压致聚合富勒烯资料；提出了共晶与高压相结合的新思想，发现了一类由压致C60塌缩构成的“非晶团簇”构筑的长程有序碳结构（OACC结构），是继晶体、非晶和准晶后又一全新的结构类型，与协作者宣布在Science上【Science, 2012, 337, 825】。随后进一步在C70等大碳笼、金属富勒烯等其他系列共晶系统中再现了这种新结构，经过调控非晶碳团簇的尺度以及这种结构的对称性和周期，创制了一类全新碳资料【Adv. Mater., 2014, 26, 7257;Adv. Mater., 2015, 27, 3962;Adv. Mater., 2018, 30, 1706916;J. Am. Chem. Soc., 2020, 142, 7584】。正所谓“十年磨一剑，砺得梅花香”，该研讨效果是课题组在富勒烯高压研讨范畴长时间堆集的基础上的再次打破。

  该研讨效果榜首完结单位为吉林大学超硬资料国家重点实验室，论文一起榜首作者为尚宇琛博士、刘兆东教授、董家君博士，姚明光教授与刘冰冰教授为论文一起通讯作者。该效果是与中科院物理所汪卫华院士，瑞典于默奥大学B. Sundqvist教授，美国卡内基研讨院费英伟研讨员，吉林大学电子显微镜中心张伟教授，以及上海同步辐射光源的林鹤研讨员等一起协作完结的。该作业得到了国家重点研制方案项目和国家基金委项目的赞助。