金刚石晶胞模型（首次在高压下合成出高度有序新型晶态金刚石纳米线）

金刚石晶胞模型（首次在高压下合成出高度有序新型晶态金刚石纳米线）图释：均三嗪在约10 GPa，573K条件下通过[1 3 5]协同加成反应生成稳定的tube (3 0)型结构的纳米线。因此，该研究小组使用均三嗪代替苯作为合成金刚石纳米线的原料，来提高反应物分子中不同位置原子的反应选择性。他们综合利用X射线衍射、电子衍射等手段并结合理论计算，确定了所得到的聚合产物是碳氮原子有序排列，tube (3 0)型的金刚石纳米线。该纳米线之间具有理想的六方堆积，而沿纳米线方向存在一定的无序。2015年，美国科学家首次以苯为原料，在20万个大气压下合成了金刚石纳米线。随后科学家们通过选择不同的芳香分子作为原料，在高压下相继合成了一系列含有其它元素的金刚石纳米线。然而，这些金刚石纳米线内部原子连接的有序性较差，通常形成混合物，阻碍了金刚石纳米线的实际应用。“高压下聚合产物有序性差的原因是合成反应的选择性较差，精确合成线内有序，特定结构的金刚石纳米线依赖于单体的反应选择

近日，北京高压科学研究中心毛河光院士与郑海燕、李阔课题组在极端高温高压条件下首次合成得到了碳-氮有序间隔排列，具有专一tube (3 0)型结构的超细金刚石纳米线。并且，他们发现了芳香体系在高压下的新的协同加成机理，由此提出了极端条件下合成有序结构的新型碳材料的控制策略。相关成果发表在《美国科学院院报》(PNAS)上。

论文链接：

https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.2201165119。

金刚石纳米线是一种特殊的金刚石基材料，其中碳原子间化学成键的方式与金刚石类似，因此与金刚石有着可比的硬度、绝缘性、稳定性等。不同于普通金刚石的三维网络结构，金刚石纳米线在一个方向可以无限生长，但在另外两个方向却非常细（~0.5纳米），仅相当于一根头发丝（~50微米）的10万分之一。这种特殊的结构使得该材料具有与碳纳米管相当或者更高的拉伸强度，同时还具有极强的柔韧性。

2015年，美国科学家首次以苯为原料，在20万个大气压下合成了金刚石纳米线。随后科学家们通过选择不同的芳香分子作为原料，在高压下相继合成了一系列含有其它元素的金刚石纳米线。然而，这些金刚石纳米线内部原子连接的有序性较差，通常形成混合物，阻碍了金刚石纳米线的实际应用。

“高压下聚合产物有序性差的原因是合成反应的选择性较差，精确合成线内有序，特定结构的金刚石纳米线依赖于单体的反应选择性，而反应选择性又取决于组成原子的反应活性和分子在压力下的堆积方式。”郑海燕研究员解释。“苯环上的原子全部为碳原子，高压下都可以参与聚合反应，导致反应的随机性增加。 因此，我们需要同时提高芳环反应的选择性以及它们的堆叠的有序性以获得理想的金刚石纳米线。”

“相比于苯，均三嗪六元环上的1、3、5位置上为氮原子，2、4、6位置上为碳原子。因为氮原子的高压反应活性不如碳原子，氮-氮间难以成键，从而减少了可能的反应路径，有望合成有序的晶化纳米线。”李阔研究员补充。

因此，该研究小组使用均三嗪代替苯作为合成金刚石纳米线的原料，来提高反应物分子中不同位置原子的反应选择性。他们综合利用X射线衍射、电子衍射等手段并结合理论计算，确定了所得到的聚合产物是碳氮原子有序排列，tube (3 0)型的金刚石纳米线。该纳米线之间具有理想的六方堆积，而沿纳米线方向存在一定的无序。

图释：均三嗪在约10 GPa，573K条件下通过[1 3 5]协同加成反应生成稳定的tube (3 0)型结构的纳米线。

通常情况下，芳环分子在高压下发生连续的狄尔斯阿尔德（Diels-Alder）反应，但该研究显示三嗪单体在压力下发生的是连续 [1 3 5]协同加成反应，并最终生成了稳定的tube (3 0)型结构的纳米线。

该研究首次在高压下合成出了高度有序的、具有特定结构的晶态金刚石结构纳米线，详细研究了从三嗪单体到金刚石纳米线的反应路径，揭示了反应选择性对产物有序性的重要意义，对在高压下设计合成结构专一的新型碳材料和理解芳香分子在压力下的聚合反应具有重要意义。该论文的实验与理论计算工作主要由北京高压科学研究中心的博士研究生高德祥和汤星宇完成。

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。

本文来自微信公众号“材料科学与工程”。欢迎转载请联系，未经许可谢绝转载至其他网站。