富勒烯和金剛石都是碳元素的同素異形體，表現出完全不一樣的物理性質。俄羅斯研究人員近日發現富勒烯在高溫高壓下可以形成比金剛石還硬的超硬碳材料。這一發現極大地推動了新型超硬碳材料的發展。

       物理學家通過模仿基于富勒烯和單晶金剛石的結構，探索出這種新材料獲得超高的硬度的機理。這一發現讓評估超硬材料的潛在制備條件成為可能。該結果發表在Carbon雜志上。

       富勒烯通常是在其晶格節點處具有富勒烯分子的分子晶體。富勒烯是碳元素形成的一種球形同素異形體。早在30年前，富勒烯就被首次合成出來并一舉獲得了諾獎。球形的富勒烯可以有多種組裝方式，并且材料的硬度很大程度上決定于富勒烯分子之間的組裝方式。由俄羅斯科學院生物化學物理研究所(FSBSI TISNCM, Moscow, Troitsk)的Leonid Chernozatonskii教授領頭和來自莫斯科物理技術學院(MIPT)，斯科爾科沃科技學院(Skoltech)，國立科技大學(MISIS)和聯邦國家預算科學研究院超硬和新型碳材料科技研究所的一群科學家，設法解釋為什么富勒烯能成為超硬材料。

       物理及數學專業在讀生，文章的主要作者Alexander Kvashnin說：“當我們開始討論這個想法時，我正在TISNCM工作。在1998年，由Vladimir D. Blank領頭的一群科學家獲得了基于富勒烯的新材料——超硬富勒烯。測試結果表明，這個新材料可以在金剛石上刻畫，也就是說，它實際上要比金剛石還硬。”

       其實得到的這種材料并不是單晶，它其中包含了無定形碳和3D-聚合的C60分子，但是它的晶體結構卻尚未完全確定。富勒烯分子具有優異的機械剛性。與此同時，富勒烯晶體在正常的條件下是非常柔軟的材料，但是在一定壓力下可以成為比金剛石還硬的材料（由于3D聚合反應）。雖然這種材料已經合成并研究了20余年，但現在仍然不知道它成為超硬材料的原因。

       其中一種模型由Leonid A. Chernozatonskii教授提出，該模型的X射線衍射圖與實驗數據完全一致，并且具有比金剛石高好幾倍的體積模量。但是，該模型的松弛結構并未顯示出其優異的性質。

       Alexander Kvashnin指出：“我們通過對該模型的分析和實驗得知，如果你對富勒烯粉末施加超過10 GPa的壓力且溫度在1800K以上時，可以將其變成多晶的金剛石。這個想法就是結合了這兩個事實。一方面，超硬富勒烯材料，另一方面，在一定壓力下，富勒烯轉變為多晶金剛石。”

       科學家推測，在一定壓力下富勒烯的一部分轉變為金剛石，而另一部分依然為富勒烯，但內部卻是壓縮狀態的金剛石。為了簡化模型，Chernozatonskii教授提出了取代內部單晶金剛石的富勒烯晶體結構。隨后研究了該復合材料，這個想法是內部為金剛石的富勒烯可以被壓縮。

       我們知道，在壓縮的狀態下材料的彈性和機械性能將會增大。金剛石將會作為一個保持壓縮狀態的富勒烯的殼，并且保存了所有屬性。在該研究中，他們首先分析了1nm厚的金剛石殼，其中內部包含2.5nm富勒烯的小模型。然而，這種小模型與實驗數據并不相符。隨后，研究人員開始對復合材料進行建模，在金剛石殼的厚度不變時，將其中富勒烯的尺寸增加到15.8nm。X射線衍射光譜的變化表明，富勒烯尺寸的增加使得光譜更接近實驗數據。在比較光譜之后，假定在實驗中最可能發生的是，當模型對內部含有富勒烯的金剛石處理時，已經獲得了內部具有流體靜力學的壓縮富勒體的無定形碳介質。根據計算的光譜，新模型與實驗數據非常相符。

       物理及數學專業博士，項目負責人Pavel Sorokin說：“開發的模型將幫助我們理解這一獨特性質的本質，并且能夠幫助我們系統地合成出新型的超硬碳材料，以及有助于推動這個有前途的科學領域的進一步發展。”

       富勒烯本身并不堅硬，其體積模量比金剛石的1.5倍還小。但是當它被壓縮的時候，其體積模量迅速增大。為了保持這種增強的體積模量，富勒烯應該總是保持這種被壓縮的狀態。通過使用模擬結果，科學家可以通過精確的實驗獲得超硬材料。