富勒烯：我可以变得比金刚石还坚硬

材料牛注：富勒烯和金刚石都是碳元素的同素异形体，表现出完全不一样的物理性质。俄罗斯研究人员近日发现富勒烯在高温高压下可以形成比金刚石还硬的超硬碳材料。这一发现极大地推动了新型超硬碳材料的发展。

物理学家通过模仿基于富勒烯和单晶金刚石的结构，探索出这种新材料获得超高的硬度的机理。这一发现让评估超硬材料的潜在制备条件成为可能。该结果发表在Carbon杂志上。

富勒烯通常是在其晶格节点处具有富勒烯分子的分子晶体。富勒烯是碳元素形成的一种球形同素异形体。早在30年前，富勒烯就被首次合成出来并一举获得了诺奖。球形的富勒烯可以有多种组装方式，并且材料的硬度很大程度上决定于富勒烯分子之间的组装方式。由俄罗斯科学院生物化学物理研究所(FSBSI TISNCM, Moscow, Troitsk)的Leonid Chernozatonskii教授领头和来自莫斯科物理技术学院(MIPT)，斯科尔科沃科技学院(Skoltech)，国立科技大学(MISIS)和联邦国家预算科学研究院超硬和新型碳材料科技研究所的一群科学家，设法解释为什么富勒烯能成为超硬材料。

物理及数学专业在读生，文章的主要作者Alexander Kvashnin说：“当我们开始讨论这个想法时，我正在TISNCM工作。在1998年，由Vladimir D. Blank领头的一群科学家获得了基于富勒烯的新材料——超硬富勒烯。测试结果表明，这个新材料可以在金刚石上刻画，也就是说，它实际上要比金刚石还硬。”

其实得到的这种材料并不是单晶，它其中包含了无定形碳和3D-聚合的C60分子，但是它的晶体结构却尚未完全确定。富勒烯分子具有优异的机械刚性。与此同时，富勒烯晶体在正常的条件下是非常柔软的材料，但是在一定压力下可以成为比金刚石还硬的材料（由于3D聚合反应）。虽然这种材料已经合成并研究了20余年，但现在仍然不知道它成为超硬材料的原因。

其中一种模型由Leonid A. Chernozatonskii教授提出，该模型的X射线衍射图与实验数据完全一致，并且具有比金刚石高好几倍的体积模量。但是，该模型的松弛结构并未显示出其优异的性质。

Alexander Kvashnin指出：“我们通过对该模型的分析和实验得知，如果你对富勒烯粉末施加超过10 GPa的压力且温度在1800K以上时，可以将其变成多晶的金刚石。这个想法就是结合了这两个事实。一方面，超硬富勒烯材料，另一方面，在一定压力下，富勒烯转变为多晶金刚石。”

科学家推测，在一定压力下富勒烯的一部分转变为金刚石，而另一部分依然为富勒烯，但内部却是压缩状态的金刚石。为了简化模型，Chernozatonskii教授提出了取代内部单晶金刚石的富勒烯晶体结构。随后研究了该复合材料，这个想法是内部为金刚石的富勒烯可以被压缩。

我们知道，在压缩的状态下材料的弹性和机械性能将会增大。金刚石将会作为一个保持压缩状态的富勒烯的壳，并且保存了所有属性。在该研究中，他们首先分析了1nm厚的金刚石壳，其中内部包含2.5nm富勒烯的小模型。然而，这种小模型与实验数据并不相符。随后，研究人员开始对复合材料进行建模，在金刚石壳的厚度不变时，将其中富勒烯的尺寸增加到15.8nm。X射线衍射光谱的变化表明，富勒烯尺寸的增加使得光谱更接近实验数据。在比较光谱之后，假定在实验中最可能发生的是，当模型对内部含有富勒烯的金刚石处理时，已经获得了内部具有流体静力学的压缩富勒体的无定形碳介质。根据计算的光谱，新模型与实验数据非常相符。

物理及数学专业博士，项目负责人Pavel Sorokin说：“开发的模型将帮助我们理解这一独特性质的本质，并且能够帮助我们系统地合成出新型的超硬碳材料，以及有助于推动这个有前途的科学领域的进一步发展。”

富勒烯本身并不坚硬，其体积模量比金刚石的1.5倍还小。但是当它被压缩的时候，其体积模量迅速增大。为了保持这种增强的体积模量，富勒烯应该总是保持这种被压缩的状态。通过使用模拟结果，科学家可以通过精确的实验获得超硬材料。

原文链接：How Fullerite Becomes Harder than Diamond.

文献链接：Fullerite-based nanocomposites with ultrahigh stiffness. Theoretical investigation

本文由材料人编辑部丁菲菲提供素材，代威编译，王子鸣审核，点我加入材料人编辑部。

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