今日最新Nature:压缩后金刚石的亚稳定性研究

【引言】

碳是宇宙中第四大元素，对所有已知生命都是必不可少的。在地球上，碳可以以许多不同的同素异形体的存在，包括石墨、金刚石和富勒烯，而且长期以来一直预测，在压力大于地球核心的压力下，甚至可以存在更多的结构。同时已经预测行星系统中存在几个阶段，这对于精确模拟富碳系外行星内部非常重要。在实验过程中，尽管可以通过冲击压缩获得如此高的压力，但根据对衰减的冲击波中所表现出的熵变化的研究，这种高度熵的过程开始熔化高于0.6 TPa的金刚石。但是，近来已经开发了一种称为斜波压缩的新动态技术，其中与通过样本的声波传播时间相比，样本的压缩时间更长，从而减少了耗散过程。但是，这些研究都没有包括对结构的测量，实际上，由于在各相之间存在巨大的势垒，因此在实验室压缩中金刚石是否，以及如何转变是困难的问题。

近日，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)A. Lazicki（通讯作者）通过使用激光脉冲将固体碳压缩到2TPa（2000万个大气压；是地球压力的五倍以上），并同时测量纳秒持续时间的X射线衍射，发现固体碳保留了金刚石结构，远远超出其预期的稳定性。研究结果表明，在巨大的压力下，金刚石仍然存在四面体分子轨道键，导致了很大的能量势垒，阻碍了向更稳定的高压同素异形体的转化，正如亚稳金刚石的石墨在大气下形成是受到运动阻碍一样。这项工作使在任何材料上记录X射线衍射的最高压力几乎翻倍。相关研究成果以“Metastability of diamond ramp-compressed to 2 terapascals”为题发表在Nature上。

【图文导读】

图一、碳相图总结了DFT-预测相边界，冲击压缩数据和预测的热力学路径图二、实验数据总结

图三、与理论预测数据的对比图四、FC8和BC8晶体结构文献链接：“Metastability of diamond ramp-compressed to 2terapascals”(Nature，2021，10.1038/s41586-020-03140-4)

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