圖中模擬出作為最初原料的C-60布基球的結(jié)構(gòu)（左圖）和M-二甲苯溶劑（藍(lán)色），還有它的超硬形態(tài)（右圖），即在金剛石壓槍內(nèi)部被超過(guò)40萬(wàn)大氣壓擠壓后的樣子。雖然被擠壓的布基球是無(wú)定形的，但溶劑保持材料的遠(yuǎn)距離晶體秩序。圖片由王林提供，華盛頓卡內(nèi)基研究所
鉆石表面的光學(xué)顯微照片顯示的兩個(gè)“環(huán)裂”的凹痕（洋紅色箭頭），這是它被用來(lái)壓縮近33萬(wàn)大氣壓下的碳基球/二甲苯材料后留下的。這些凹痕表明，粉碎材料是“超硬”的，也就是說(shuō)，這種材料幾乎和鉆石一樣堅(jiān)硬。
卡內(nèi)基研究所的王林領(lǐng)導(dǎo)的一組研究人員，觀察到一種新形式的超硬碳簇，其中同時(shí)存在結(jié)晶性和無(wú)序性的結(jié)構(gòu)組合，這是不同尋常的。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)在機(jī)械、電子、電化學(xué)使用等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值。這項(xiàng)研究工作發(fā)表在8月17日的《科學(xué)》雜志上。
碳是宇宙中第四大豐富的元素，呈現(xiàn)出各種各樣的形式——蜂窩狀的石墨、做鉛筆芯的石墨、鉆石、圓柱型的碳納米管、空心球狀的富勒烯等等。
一些形態(tài)的碳是晶體狀的，說(shuō)明碳晶體的結(jié)構(gòu)是由重復(fù)的原子單元組成。還有一些碳結(jié)構(gòu)是無(wú)序的，這說(shuō)明這種結(jié)構(gòu)缺少長(zhǎng)距離晶體性的秩序。結(jié)合晶體性和無(wú)序性元素的混合結(jié)構(gòu)先前并沒(méi)有被觀察到過(guò)，盡管科學(xué)家們相信這種結(jié)構(gòu)可以被創(chuàng)造。
王林的研究團(tuán)隊(duì)——包括卡內(nèi)基研究所的楊文革、劉振賢、斯坦尼斯拉夫·新奧節(jié)根和孟玥，他們開(kāi)始于一個(gè)C-60網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，它由高度集成化的碳基球粘合在一起，這種碳基球是中空的圓形，由五邊形和六邊形環(huán)構(gòu)成。此外，將有機(jī)二甲苯溶劑放入球之間的空隙，形成了一個(gè)新的結(jié)構(gòu)。然后，他們通過(guò)對(duì)此結(jié)構(gòu)施加壓力，觀察它隨外界條件如何變化。
在相對(duì)較低的壓力下，C-60網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能夠保存。但是隨著壓力的增加，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)開(kāi)始崩塌成更多無(wú)定形的碳簇。然而無(wú)定形的結(jié)構(gòu)依舊占據(jù)它們?cè)鹊奈恢?，形成了晶格結(jié)構(gòu)。
該研究小組發(fā)現(xiàn)，有個(gè)狹窄的壓力范圍，大約32萬(wàn)倍的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，在這個(gè)壓力范圍內(nèi)，這種新型碳結(jié)構(gòu)將被創(chuàng)造出來(lái)，即使外施壓力消失也不會(huì)恢復(fù)原狀。這將是尋找能夠?qū)嶋H應(yīng)用新材料的關(guān)鍵。
這種材料能夠在高壓條件下使鉆石產(chǎn)生凹陷。這說(shuō)明這種材料是超硬的。
如果用來(lái)制成新形態(tài)碳的溶劑二甲苯被熱處理移除，這種材料便失去其晶格的周期性。這說(shuō)明溶劑對(duì)于維持基礎(chǔ)架構(gòu)的化學(xué)過(guò)渡很重要。正因?yàn)橛性S多相似的溶劑，從理論上講，它是一個(gè)類(lèi)似但卻是不同的，碳晶格可以用施加壓力的方式建構(gòu)。
“我們制造出了一種新型的碳材料，它可以與鉆石相媲美，不能被壓縮，”王林說(shuō)，“一旦它在特殊壓力下被制造出，并可以在正常條件下存在，說(shuō)明它有實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值”。