北京高壓科學研究中心毛河光院士與鄭海燕、李闊課題組，首次在高壓下合成出高度有序的晶態(tài)金剛石結(jié)構(gòu)納米線，并確定了其具體結(jié)構(gòu)，詳細研究了從三嗪單體到金剛石納米線的反應(yīng)路徑，揭示了反應(yīng)選擇性對產(chǎn)物有序性的重要意義，對在高壓下設(shè)計合成結(jié)構(gòu)專一的新型碳材料和理解芳香分子在壓力下的聚合反應(yīng)具有重要意義。相關(guān)成果近日發(fā)表于美國《國家科學院院刊》。

       金剛石納米線是一種特殊的金剛石基材料。其中碳原子形成化學鍵的方式與金剛石類似，因此與金剛石有著相似的性質(zhì)（硬度、絕緣性、穩(wěn)定性等）。不同于金剛石的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，金剛石納米線在長度方向可以無限生長，但在另外兩個方向卻非常細（~0.5納米），僅相當于一根頭發(fā)絲（~50微米）的1/100000。這種特殊的結(jié)構(gòu)使該材料具有與碳納米管相當或更高的拉伸強度，同時還具有極強的柔韌性。2015年，美國科學家首次以苯為原料在20萬個大氣壓下合成了金剛石納米線。隨后科學家通過選擇不同的芳香分子作為原料，在高壓下相繼合成了一系列含有其它元素的金剛石納米線。然而，這些金剛石納米線內(nèi)部原子連接的有序性較差，常形成混合物，阻礙了進一步的研究和應(yīng)用。

       在新研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物有序性差的原因是合成反應(yīng)的選擇性較差。苯環(huán)上的原子全部為碳原子，高壓下都可以參與聚合反應(yīng)，導致反應(yīng)的混亂度增加。因此，研究人員用均三嗪代替苯作為合成金剛石納米線的原料，提高了反應(yīng)物分子中不同位置原子的反應(yīng)選擇性，最終首次合成得到高度有序的晶化納米線。隨后，研究人員確定了所得到的納米線具有專一的tube（3,0）結(jié)構(gòu)，納米線之間具有理想的六方堆積，而沿納米線方向存在一定的無序。研究人員通過質(zhì)譜手段表征了反應(yīng)中間體，確定了反應(yīng)單體之間的碳—氮成鍵方式，并結(jié)合理論計算發(fā)現(xiàn)三嗪單體在壓力下發(fā)生了連續(xù)的[1,3,5]協(xié)同加成反應(yīng)，最終生成了tube（3,0）結(jié)構(gòu)納米線。