近日，由燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室高压科学中心的田永君院士课题组赵智胜等人与国内外科学家合作，在新型非晶碳材料研究方面取得重要进展。研究成果以“Discovery of carbon-based strongest and hardest amorphous material”为题，在2021年8月5日的《National Science Review》上发表。
图片来自NSR官网
该实验室成功合成新型非晶材料（AM－III），据专家介绍，AM－III密度与金刚石相当，维氏硬度HV高达113 GPa，可划伤单晶金刚石。
用AM－III刻划金刚石（001）面留下的划痕
图片来自燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室 迄今为止发现的最硬的非晶材料
碳是构成有机生命体的基础元素，对人类的生存、日常生活和物质生产均发挥着不可或缺的独特作用。碳具有多种同素异形体，目前已知的有石墨、金刚石、富勒烯、碳纳米管、石墨烯、石墨炔等。这些碳的同素异形体展现出了非常独特的物理化学特性，它们的出现极大地推动了科技的发展。一直以来，人们探索新型碳材料的脚步从未停止过。
在此次研究中，田永君院士课题组与国内外科学家合作，采用富勒烯C60在高温高压下截获了一种sp2-sp3混合杂化的新型非晶碳（AM-III）材料。
AM-III的密度高达3.30 g/cm3，与金刚石相当；其维氏硬度HV高达113 GPa，努氏硬度为72 GPa，可刻划单晶金刚石的（001）面（HV=103 GPa）；其纳米压痕硬度为103 GPa，高于文献报道的类金刚石非晶碳薄膜（ta-C）的最高硬度值；其微米尺度柱体的压缩强度高达70 GPa，与金刚石相媲美。因此，这是迄今为止发现的最硬、最强的非晶材料。
什么是非晶材料
非晶材料也叫玻璃态材料，是一大类刚性固体，人们生活中常见的玻璃，即是一种典型的非晶材料。
经过研究，非晶材料内部结构没有“空间点阵”特点，而与液态的结构类似。只不过“类晶区”彼此不能移动，造成玻璃没有流动性。因此将这种状态称为“非晶态”。严格地说，“非晶态固体”不属于固体，因为固体专指晶体；它可以看作一种极粘稠的液体。因此，“非晶态”可以作为另一种物态提出来。除普通玻璃外，“非晶态”固体还很多，常见的有橡胶、石蜡、天然树脂、沥青和高分子塑料等。
非晶材料具有和晶态物质可相比较的高硬度和高粘滞系数，但其组成的原子、分子的空间排列不呈现周期性和平移对称性，晶态的长程有序受到破坏；只是由于原子间的相互关联作用，使其在几个原子（或分子）直径的小区域内具有短程序。
作为一类特殊结构的刚性固体，非晶材料具有比一般金属都高的强度，强度的尺寸效应很小，且弹性比一般金属好,弯曲形变可达50%以上，硬度和韧性也很高。
未来应用
由于非晶材料具有光吸收系数高、基片材料限制小、性能易于扩展、制作工艺简单等优点，因而作为敏感功能材料倍受青睐，现已日益广泛应用于各种传感器。到目前为止，传感器中应用的敏感功能材料多为单晶材料，特别是物理类传感器更是如此。例如，光敏传感器一直就是用Si、GaAs之类的单晶半导体。
对于AM-III而言，它是一类光学透明的半导体材料，带隙介于1.5-2.2 eV之间，与最常用的半导体非晶硅（a-Si:H）薄膜的带隙相当，在光伏领域具有潜在的应用前景。
在精密加工领域，AM-III或许也将大有用途，由于其硬度极高，理论上加工出来的刀刃可以达到原子尺寸级别的平直度和锋利度，或许可用于原子核反应堆及精密光学仪器的反射镜、计算机硬盘、导弹或太空飞行器的导航陀螺和加速器电子枪等超精密镜面零件。
目前，该成果已获得中国发明专利（专利号：ZL201910085279.0）和日本专利（专利号：JP2020-009244）授权。
（来源：中技所研究发展部）