寻找新型碳材料一直是材料领域的前沿科学问题。作为自然界中最丰富的元素之一，碳具有多种杂化成键方式，形成的碳材料结构丰富、性质迥异，应用也极为广泛，因此，几乎每一种新碳材料的发现都引发了研究热潮。近年来，非晶材料因展现出如各向同性等不同于晶态材料的显著特点，越来越受到人们的关注。探索新型非晶材料建立结构与物性之间的关联，是非晶材料领域的重要课题。全sp³非晶碳块体材料的合成对非晶材料领域也具有重要意义。
近日，上海大学材料科学与工程学院高品质特殊钢冶金与制备省部共建国家重点实验室的电磁冶金与高温合金叶片团队，参与的由吉林大学超硬材料国家重点实验室刘冰冰教授团队主导的超高压制备新型碳材料的研究取得重大突破。该研究采用吉林大学超硬材料国家重点实验室自主发展的大腔体压机超高压关键技术，利用C₆₀碳笼压致塌缩形成的“非晶碳团簇”这一新的构筑基元，探索了其在20-37 GPa压力范围内的温压反应相图，首次成功实现了高质量、毫米级、透明的近全sp3非晶碳块体材料的合成。上海大学电磁冶金与高温合金叶片团队负责利用高能X射线衍射表征样品，利用独自开发的解析技术揭示了该材料是由具有短/中程序的四配位类金刚石sp3碳团簇形成的非晶结构，破解了近全sp3非晶碳结构解析的难题。2021年11月24日，相关研究成果以“Ultrahard bulk amorphous carbon from collapsed fullerene”为题发表于Nature杂志。这些突破性成果被Nature审稿人高度评价为“非晶材料领域的重大进展”，“为超硬材料家族添加了独特的一员”，“提供了新颖的物理特性表征，对凝聚态物理和化学领域都是原创且极其有趣的”。
上海大学电磁冶金与高温合金叶片团队二十多年来致力于研究利用电磁冶金技术实现高品质材料制造。在负责人任忠鸣教授的带领下，团队先后攻克了定向凝固过程中多场耦合作用下合金凝固组织演变规律的模拟技术难题，建立定向凝固过程中冶金缺陷控制理论，突破了F级单晶空心叶片定向凝固，双层壁单晶导向叶片制造等关键技术瓶颈，完成了先进航空发动机双层壁单晶导向叶片和F级重型燃机用高温合金定向凝固涡轮叶片的试制，打破了国外的封锁，为我国先进商用航空发动机和重型燃气轮机的研发提供了重要支持。团队在磁场影响材料原子级别微观结构方面的深入研究和深厚积累，为本项成果的取得提供了有力支持。此次，跨学科的成功合作体现了中国科研人团结一致的精神，攻坚克难的决心，“红色学府”的信念，上大人的初心，自强不息的传承。





图1. a，高质量sp³非晶碳块材的光学照片；b，sp³非晶碳样品的PDF分析；c，sp³非晶碳样品的维氏硬度测量；
d，sp³非晶碳样品的热导率和硬度与其他非晶材料的比较。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03882-9。（图文：符蓉）