近日，吉林大學超硬材料國家重點實驗室劉冰冰教授課題組在碳的高壓新結構研究方面取得重要突破，該項成果以“NovelSuperhard sp3 Carbon Allotrope from Cold-Compressed C70 Peapods”為題于2017年6月15日在物理學權威學術期刊《物理評論快報》上發(fā)表（PhysicalReview Letters, DOI:10.1103/PhysRevLett.118.245701）。
　　碳材料是材料科學研究的前沿。碳原子因其豐富的成鍵方式具有多種結構和性能迥異的同素異形體，在人類科學發(fā)展和實際應用中發(fā)揮了重要作用。碳材料研究不僅促進了材料科學的發(fā)展，也推動了高壓技術和納米技術的進步，探索新的碳結構是碳材料研究領域的熱點問題。特別地，尋找性能可與金剛石相比擬甚至更優(yōu)的新型sp3結構碳材料一直是人們非常關注的課題。人們在實驗上的早期進展是在冷壓石墨中發(fā)現(xiàn)的了后石墨相和冷壓碳納米管中形成的超硬碳結構，遺憾的是，這兩種高壓相結構衍射信號都很弱，后石墨相還不能保持到常壓，結構無法確定，由此引發(fā)了后續(xù)大量的理論研究，給出了很多候選結構，但結構并沒有得到實驗的確認，一直處于爭論中，實驗上合成新的sp3碳材料也一直沒有大的突破。
　　劉冰冰課題組長期開展富勒烯等碳材料的高壓新結構和新性質研究，取得了多項創(chuàng)新結果，發(fā)表在Science,PNAS, Adv Mater等刊物上。在該工作中，不同于前人實驗中使用的僅包含碳六元環(huán)的石墨和碳納米管前驅物，課題組巧妙地選擇包含碳五元環(huán)的C70限域碳納米管復合材料（C70peapod）作為前驅體，對其開展了原位超高壓研究，獲得了常壓可截獲的、完全不同于金剛石的全sp3超硬新碳結構。利用高壓原位拉曼光譜、同步輻射X射線衍射等實驗技術，結合理論計算，獲得了產生新型碳相的直接實驗證據。同步輻射XRD衍射給出了強的晶體衍射信息，衍射峰不屬于以往報道的任何碳結構，而是一種新的、具有單斜結構的全sp3碳相 (命名為Vcarbon)，能量僅略高于金剛石，具有與金剛石相媲美的硬度，并給出了C70 peapod材料向V carbon轉變的物理圖像，發(fā)現(xiàn)初始材料含有的奇數碳環(huán)對V carbon的形成起到了重要的作用。該研究成果將啟發(fā)人們設計和利用新型前驅物結合高壓技術構筑具有優(yōu)異性能的新型碳材料，為新型多功能材料的研發(fā)提供了全新思路。
　　該論文的第一作者為吉林大學博士研究生楊西貴，碩士研究生吳香英負責理論計算，吉林大學劉冰冰教授和姚明光教授為共同通訊作者。研究工作得到了國家自然科學基金、教育部長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃項目及吉林大學研究生創(chuàng)新研究計劃項目的資助。
　　文章鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.118.245701