近日，由燕山大學亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室高壓科學中心的田永君院士課題組趙智勝等人與國內外科學家合作，在新型非晶碳材料研究方面取得重要進展。研究成果以“Discovery of carbon-based strongest and hardest amorphous material”為題，在2021年8月5日的《National Science Review》上發表。
圖片來自NSR官網
該實驗室成功合成新型非晶材料（AM－III），據專家介紹，AM－III密度與金剛石相當，維氏硬度HV高達113 GPa，可劃傷單晶金剛石。
用AM－III刻劃金剛石（001）面留下的劃痕
圖片來自燕山大學亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室 迄今為止發現的最硬的非晶材料
碳是構成有機生命體的基礎元素，對人類的生存、日常生活和物質生產均發揮著不可或缺的獨特作用。碳具有多種同素異形體，目前已知的有石墨、金剛石、富勒烯、碳納米管、石墨烯、石墨炔等。這些碳的同素異形體展現出了非常獨特的物理化學特性，它們的出現極大地推動了科技的發展。一直以來，人們探索新型碳材料的腳步從未停止過。
在此次研究中，田永君院士課題組與國內外科學家合作，采用富勒烯C60在高溫高壓下截獲了一種sp2-sp3混合雜化的新型非晶碳（AM-III）材料。
AM-III的密度高達3.30 g/cm3，與金剛石相當；其維氏硬度HV高達113 GPa，努氏硬度為72 GPa，可刻劃單晶金剛石的（001）面（HV=103 GPa）；其納米壓痕硬度為103 GPa，高于文獻報道的類金剛石非晶碳薄膜（ta-C）的最高硬度值；其微米尺度柱體的壓縮強度高達70 GPa，與金剛石相媲美。因此，這是迄今為止發現的最硬、最強的非晶材料。
什么是非晶材料
非晶材料也叫玻璃態材料，是一大類剛性固體，人們生活中常見的玻璃，即是一種典型的非晶材料。
經過研究，非晶材料內部結構沒有“空間點陣”特點，而與液態的結構類似。只不過“類晶區”彼此不能移動，造成玻璃沒有流動性。因此將這種狀態稱為“非晶態”。嚴格地說，“非晶態固體”不屬于固體，因為固體專指晶體；它可以看作一種極粘稠的液體。因此，“非晶態”可以作為另一種物態提出來。除普通玻璃外，“非晶態”固體還很多，常見的有橡膠、石蠟、天然樹脂、瀝青和高分子塑料等。
非晶材料具有和晶態物質可相比較的高硬度和高粘滯系數，但其組成的原子、分子的空間排列不呈現周期性和平移對稱性，晶態的長程有序受到破壞；只是由于原子間的相互關聯作用，使其在幾個原子（或分子）直徑的小區域內具有短程序。
作為一類特殊結構的剛性固體，非晶材料具有比一般金屬都高的強度，強度的尺寸效應很小，且彈性比一般金屬好,彎曲形變可達50%以上，硬度和韌性也很高。
未來應用
由于非晶材料具有光吸收系數高、基片材料限制小、性能易于擴展、制作工藝簡單等優點，因而作為敏感功能材料倍受青睞，現已日益廣泛應用于各種傳感器。到目前為止，傳感器中應用的敏感功能材料多為單晶材料，特別是物理類傳感器更是如此。例如，光敏傳感器一直就是用Si、GaAs之類的單晶半導體。
對于AM-III而言，它是一類光學透明的半導體材料，帶隙介于1.5-2.2 eV之間，與最常用的半導體非晶硅（a-Si:H）薄膜的帶隙相當，在光伏領域具有潛在的應用前景。
在精密加工領域，AM-III或許也將大有用途，由于其硬度極高，理論上加工出來的刀刃可以達到原子尺寸級別的平直度和鋒利度，或許可用于原子核反應堆及精密光學儀器的反射鏡、計算機硬盤、導彈或太空飛行器的導航陀螺和加速器電子槍等超精密鏡面零件。
目前，該成果已獲得中國發明專利（專利號：ZL201910085279.0）和日本專利（專利號：JP2020-009244）授權。
（來源：中技所研究發展部）