无定形碳的微观结构景观成像

中国科学技术大学吴恒安教授团队基于大规模分子动力学(MD)模拟，提出了非晶碳的六个代表性物相，获得了非晶碳的全面微观结构图谱。

这些相分别包括无序石墨烯网络(DGN)、高密度无定形碳(HDAC)、无定形闪石(a-DG)、无定形金刚石(aD)、准晶金刚石(pD)和纳米多晶金刚石(NPD)。该团队对微观结构拓扑特征及其对中短程有序的贡献进行了全面分析。

值得注意的是，a-DG 表现出非晶石墨和原子无序金刚石的混合特征，而 pD 则展示了分布在非晶基质内的众多类金刚石纳米核。

它们的微观结构拓扑特征与实验中新合成的无定形碳非常相似，这种一致性表明模拟模型可以有效地捕捉在实验制备的无定形碳中观察到的各种微观结构。

此外，该团队通过将模拟数据与实验观察结果进行比较进行了全面分析，从而绘制了 sp 3 /sp 2与密度平面的相图。

相图揭示了以意想不到的不连续性为特征的有趣模式，这些不连续性源于各种类型的无定形碳的微观结构拓扑的固有差异。有趣的是，研究小组发现了一个拟合幂律：log(sp 3 /sp 2 ) ~ ρ n，其中不同的“n”值表明无定形碳的微观结构稳定性可以通过操纵sp 3 /sp 2比率来调节在特定的温度压力条件下。

尽管密度、温度和压力的变化导致原子尺度无序的显着变化，但仍然可以通过短/中程有序拓扑微观结构来区分不同类型的无定形碳。这种分类方法为进一步研究无定形碳的机械性能和其他相关属性铺平了道路。

此外，研究人员还根据不连续相图探索了不同类型非晶碳之间可能的相变路径。他们发现，通过在高温高压条件下对DGN进行退火，可以获得a-DG、aD和pD等典型的非晶碳结构。此外，还观察到 DGN 和 HDAC 之间的可逆相变，这与最近的第一原理计算一致。

因此，在适当的温度压力条件下，不同类型的无定形碳之间可能存在丰富但未被发现的相变和微观结构演化。后续研究目标是研究控制这些相变的机制，为无定形碳材料的实验合成提供有价值的理论见解。

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