JACS：高压研究揭示“不透气”的非晶碳为何会变得可渗透

       近期发展的金刚石纳米压力舱（Nanostructured Diamond Capsules，NDC）技术为在常压条件下保存挥发性物质(气体、液体)的高压态提供了一种通用解决方案，为在常压环境对其开展深入研究和获得应用提供了途径。在NDC的制备过程中，一个关键步骤是：在高压作用下，将气体、液体等压入非晶碳前驱体内部的密闭纳米孔洞中。然而，作为NDC最常用的前驱体材料之一，玻璃碳在常压下具有极低的气体渗透性，这一看似矛盾的现象缺乏清晰的微观结构机制解释,阻碍了NDC技术的进一步发展。近日，来自北京高压科学研究中心和上海前瞻物质科学研究院的曾桥石研究员带领的研究团队利用原位高压同步辐射X射线衍射、小角X射线散射及电镜等手段，研究了氦气和氩气在玻璃碳及非晶碳纳米球中的扩散行为，揭示了无序碳材料在高压条件下实现气体有效渗透的原子结构通道。相关成果于近日在线发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）。

         该研究团队在前期发明了NDC技术后，一直专注NDC技术的拓展应用和基础机制研究。他们在最近的工作中发现，气体并非如以往推测的那样通过玻璃碳中类石墨的层状结构之间的空间扩散。相反，真正起主导作用的是非晶碳内部的无序结构缺陷。这些缺陷区域为高压下气体原子提供了快速扩散通道，其作用类似于晶体材料中沿晶界或位错发生的“短路扩散”。这是首次在实验上清晰证明，这类短路扩散机制同样存在于非晶碳体系中。更重要的是，该研究表明，这种高压诱导的气体渗透性并非玻璃碳所独有。在低于0.3 GPa 的压力下，氩气即可有效扩散进入多种结构不同的非晶碳纳米结构（如中空碳纳米球）。这一结果表明，高压下的气体渗透性是一种普遍存在于sp²键合无序碳材料中的物理特性，而不是某一种特定材料的偶然行为。

       该工作填补了非晶碳在高压条件下气体输运微观机制认识中的空白，为设计新型碳前驱体材料提供了指导。通过调控非晶碳中的缺陷网络与孔结构，有望实现对不同高压挥发性物质的精准封装保存，为高压物态基础研究及相关应用拓展提供“定制”的材料平台。该成果获得了国家自然科学基金委(12574001)和上海市科学技术委员会的经费项目支持 (22JC1410300, 22dz2260800)。 图1. 压力驱动的气体扩散填充不同非晶碳材料内部密闭纳米空洞的示意图。

转载自：北京高压科学研究中心