新研究發現鉆石具有“流暢”的結構

早在六千年前,人類就發現了鉆石(金剛石)。鉆石素以堅硬耐磨、純凈無暇、璀璨奪目等優異特性聞名于世,被譽為“寶石之王”。她神秘而迷人,高貴、優雅而獨特,象征著力量、永恒、愛情、權利、好運及財富。20世紀中期以來,人造鉆石得到了大規模的工業生產。從此,鉆石作為一種重要的功能材料,在精細加工、石油開采、地質勘探等行業中都發揮重要的推動作用,產生了不可估量的經濟效益和社會效益。

金剛石是典型的脆性材料,受力破壞時未發生顯著的塑性變形就突然斷裂;此外,金剛石也是典型的寬帶隙絕緣體,其電子能隙隨靜水壓力升高而增大。傳統觀點認為,純金剛石在常壓和高壓下,都既不柔韌,也不導電。近日,吉林大學和美國內華達大學拉斯維加斯分校的科研人員,對鉆石在復雜應變下的應力響應行為開展了系統的研究。

該研究顯示:高壓和高剪切共存的加載條件可有效抑制鉆石原子間的脆性斷裂模式,從而導致前所未知的晶格結構與電子傳導特性。尤其是與其固有標簽屬性形成鮮明對比的是,鉆石這自然界硬度最高的脆性材料,竟在原子尺度呈現“流暢”的結構延展性。

同時,鉆石的獨特結構蠕變行為,伴隨著其電子帶隙的閉合,促使電子在晶格的導電通道中“流暢”地傳導,使鉆石呈現出導電性。奇異的結構延展性和電子傳導性,極大地豐富了鉆石的內稟屬性,為全面理解其結構和物性調控規律提供了重要理論依據。研究還顯示,鉆石的結構和電子“流暢”行為,在目前高壓實驗可達的多種應力環境下廣泛存在,使這些奇異“流暢”行為有望在實驗中得到證實。

俗話說“柔能克剛”,本工作賦予此說新的含義。在特定受限形變條件下,鉆石展示出高度柔韌性,克服固有的剛脆弱點。柔韌鉆石的新奇特性拓展其應用范圍,并有助于在高壓科學領域引入新概念,預言并理解新現象。

鉆石通常作為靜高壓產生裝置的核心部件(金剛石對頂砧)。當前發現的鉆石結構蠕變性和金屬化行為對壓機的設計和靜水壓極限的探索等中心課題都至關重要,還為解釋超高壓實驗中存在的熱點爭議問題(如氫及氫化物的金屬化行為等)提供了新的思路和探索方向。

本研究是在吉林大學李全教授和馬琰銘教授與美國內華達大學拉斯維加斯分校陳長風教授合作下,共同指導博士研究生劉暢和宋賢齊完成。該研究獲得了國家重點研發計劃(2018YFA0703400),國家自然科學基金(11622432, 11474125, 11534003)和吉林大學科技創新團隊計劃等項目的資助。研究成果以“Smooth Flow in Diamond: Atomistic Ductility and Electronic Conductivity”為題,于2019年11月6日發表于美國物理學會《Physical Review Letters》雜志上。

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