近日，吉林大學(xué)超硬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉冰冰教授課題組在碳的高壓新結(jié)構(gòu)研究方面取得重要突破，該項(xiàng)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(xué)權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報(bào)》上發(fā)表（PhysicalReview Letters, DOI:10.1103/PhysRevLett.118.245701）。
　　碳材料是材料科學(xué)研究的前沿。碳原子因其豐富的成鍵方式具有多種結(jié)構(gòu)和性能迥異的同素異形體，在人類科學(xué)發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用。碳材料研究不僅促進(jìn)了材料科學(xué)的發(fā)展，也推動(dòng)了高壓技術(shù)和納米技術(shù)的進(jìn)步，探索新的碳結(jié)構(gòu)是碳材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)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(jié)構(gòu)碳材料一直是人們非常關(guān)注的課題。人們在實(shí)驗(yàn)上的早期進(jìn)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(jié)構(gòu)，遺憾的是，這兩種高壓相結(jié)構(gòu)衍射信號都很弱，后石墨相還不能保持到常壓，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，但結(jié)構(gòu)并沒有得到實(shí)驗(yàn)的確認(rèn)，一直處于爭論中，實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)和新性質(zhì)研究，取得了多項(xiàng)創(chuàng)新結(jié)果，發(fā)表在Science,PNAS, Adv Mater等刊物上。在該工作中，不同于前人實(shí)驗(yàn)中使用的僅包含碳六元環(huán)的石墨和碳納米管前驅(qū)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(fù)合材料（C70peapod）作為前驅(qū)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(jié)構(gòu)。利用高壓原位拉曼光譜、同步輻射X射線衍射等實(shí)驗(yàn)技術(shù)，結(jié)合理論計(jì)算，獲得了產(chǎn)生新型碳相的直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)。同步輻射XRD衍射給出了強(qiáng)的晶體衍射信息，衍射峰不屬于以往報(bào)道的任何碳結(jié)構(gòu)，而是一種新的、具有單斜結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)變的物理圖像，發(fā)現(xiàn)初始材料含有的奇數(shù)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(shè)計(jì)和利用新型前驅(qū)物結(jié)合高壓技術(shù)構(gòu)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(xué)博士研究生楊西貴，碩士研究生吳香英負(fù)責(zé)理論計(jì)算，吉林大學(xué)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(xué)基金、教育部長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目及吉林大學(xué)研究生創(chuàng)新研究計(jì)劃項(xiàng)目的資助。
　　文章鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.118.245701