#姜云升[超话]#来氵贴 冲向下一级!
你是光即便此时如此微暗
可再微弱也能够驱散这万年的黑暗
曾经满心绝望 对这世界抱有抵触
是你把我拉起 从那深渊的最底部
你是上天赐给我最棒的礼物
我没有在哭 只是眼睛有些起雾

——姜云升《浪漫主义》

(图源某位车车 忘了是谁 侵删)

不是晶体也不是非晶体 次晶态金刚石这样“诞生”

  围绕在我们身边的固体物质,无论是尘埃沙砾还是金属宝石,其本质都是由原子在空间中堆积而成的。而根据原子的堆积是否有序,固体物质又可以被划分为晶体和非晶体。我们通常认为,在晶体材料中原子的排布均匀且规则,而非晶体的原子排列呈现出普遍的无序性。

  近日,北京高压科学研究中心研究员缑慧阳等在高温高压条件下合成了一种新形态的金刚石——次晶态金刚石。该项成果的问世在结构拓扑上链接了非晶态和晶态,对于揭示非晶材料复杂的结构本质具有深远意义。

  该研究成果在线发表于权威学术期刊《自然》杂志。

  在晶体与非晶体之间

  围绕在我们身边的固体物质,无论是尘埃沙砾还是金属宝石,其本质都是由原子在空间中堆积而成的。而根据原子的堆积是否有序,固体物质又可以被划分为晶体和非晶体。在晶体中,原子在三维空间上具有特定的堆积次序,其晶体结构可以用一个小的结构单元周期性表达。且在宏观视角下,我们无法分辨出其中的不连续性,因此我们通常认为,在晶体材料中原子的排布是均匀且规则的。同时,这也使得晶体材料的各个部分具有相同的物理、化学性质。

  而与此相对,非晶体材料中的原子则缺乏长程的周期性排列,仅存在着短程有序性,即每个原子只在小范围内与其临近的原子在排列上呈现出一定的规则性。因此从宏观上观察,其原子排列呈现出普遍的无序性。而这种非晶体在结构上的差异,也直接导致其在力、声、光、电、磁、热等各方面材料性能上表现出极大不同。我们日常随处可见的玻璃便是最典型的非晶体材料之一。

  缑慧阳表示,传统意义上一般将原子在0—0.5纳米直径范围内呈现出的有序性称为短程有序,0.5—2.0纳米范围内呈现出的有序性称为中程有序,大于2.0纳米的则称为长程有序。但他也提到,在实际的工作中,更常采用的方法是以有序配位壳层的数量来定义空间有序性,这是考虑到不同材料之间由于键长等差异导致的空间尺寸差异。

  然而物质世界变幻无穷。研究人员发现,当温度升高时,晶体中的长程有序性会显著降低,逐渐向短程有序过渡,此时理解两种状态之间的差别变得异常困难。

  那么对固体,尤其是强共价和类共价固体来说,在长程有序和短程有序之间,是否存在着一种中间态?为了探索这一结构之谜,理论科学家们提出了一种“次晶态”结构模型。“1930年以来,次晶态的概念偶尔出现在科学界,1950年德国霍斯曼教授基于一些软物质的发现,提出次晶态作为独立于晶体和非晶体的一种状态。”缑慧阳说,该概念在1980年前后逐渐被推广到聚合物、胶体、生物材料,甚至一些熔融态金属和合金、玻璃中。然而,在共价键合和类共价键合的材料中,科学家们却一直未能在自然界或实验室中发现这种完全由中程有序的次晶组成,而又不具有长程有序性的物质状态。尽管其曾经在半导体材料硅中提出过,但含量只有不到18%,而对于同族的金刚石来说,则一直没有相关研究涉及,更没有实验现象和证据。

  处理后的富勒烯“不负众望”

  但科学界不是没有过尝试。自次晶态概念被提出后,科学家们一直试图将这一状态从理论概念拓宽到各种各样的物质中。

  缑慧阳介绍,2017年北京高压科学研究中心研究员曾徵丹等便曾利用金刚石对顶压机结合激光加热技术,成功在40—50吉帕和1800开尔文的压强、温度条件下合成出非晶态金刚石,然而极高的压强限制了合成样品的尺寸。该项成果成功地确定了sp3键合的非晶金刚石的真实存在,并且能够将其保留下来。

  而且,科学界与工业界已经掌握了制备纳米级金刚石的技术,且纳米金刚石在各个领域得到了非常广泛的应用,具有广泛的实用价值。基于这样的研究背景,缑慧阳团队决定利用当下最先进的大腔体高温高压技术,突破传统大体积压机的压力范围,进行30吉帕以上压强的毫米级样品的研究。

  缑慧阳和团队选取了不同特点的前驱物,分别是富勒烯、玻璃碳和洋葱碳,旨在探索不同前驱物在高压下的结构及微结构的转变过程和路径。和预想中的一样,研究团队在30吉帕压强下,1800开尔文以上的高温范围内,观察到了纳米金刚石的形成。但是只有富勒烯在30吉帕和1500—1600开尔文的压强、温度条件下出现了能够保留到常压的、具有中程有序的非晶金刚石,这是此前从未有过的发现。

  但仅是发现还不够,要想对其进行深入细致的研究,还要求研究者能够对这种截留的具有中程有序的非晶金刚石进行详细的结构表征和模型构建。于是,缑慧阳及其合作者通过X射线、对关联函数、谱学、透射电镜等方法对其结构与微结构进行表征,并采用先进的大尺度分子动力学模拟对其进行详细对比和模型构建,最终将其识别确定为次晶态金刚石。这种结构的金刚石本质上是在非晶基体中引入纳米尺寸的中程有序结构。其发现不仅使研究者深入理解了这种特殊的金刚石,掌握了其独特性,更是填补了非晶结构和晶体结构之间原子排列尺度上的缺失环节,为深层次理解非晶材料的复杂结构提供了密钥。

  三个因素协调是关键

  缑慧阳认为,此次能够成功合成次晶态金刚石,原因除了非晶金刚石自身具有更高的短程有序性外,还取决于三方面的决定性因素,即对于前驱物的选择、适宜的压力与温度以及对保温时间的控制。

  在前驱物的选择上,缑慧阳团队选择了碳的三种同素异形体分别进行尝试,并最终在富勒烯上成功取得突破。富勒烯化学式为C60,由于每个分子中包含60个碳原子,并呈现出12个五边形所组成的球状,也被形象地称为足球烯。

  缑慧阳向记者分析道,在高压的作用下,C60分子间的聚合作用为形成高密度的sp3键合提供了均匀的形核点,这使得在较低的压力和温度下形成sp3含量接近100%的非晶金刚石成为可能。而30吉帕甚至更高的压力则有助于提高形核的密度,再配合以适当的温度,便能够促进sp2向sp3转变,并抑制其快速地结晶。随后,经过适当时间的等温退火,便可使得非晶金刚石中逐步、动态地出现大量次晶态。

  同时,缑慧阳也表示,或许除了富勒烯外,其他两种前驱体也可能会在某个温压区间内生成纳米级次晶金刚石,但仅就目前其所探索的压强、温度、时间范围内,尚未捕捉到。因此他认为,发现并成功截留次晶这种亚稳状态的关键正是在于对压强、温度和时间的有效把控,只有实现三者的完美协调,才能取得理想中的结果。

  另一方面,此次研究能够取得突破性进展,同样离不开大腔体高温高压技术的发展。根据缑慧阳介绍,大腔体压机技术目前已经相对成熟,但在常规的压力组装方式下,传统大腔体压机的压力极限一般为27吉帕。而北京高压科学研究中心的科研人员通过改变碳化钨压砧的几何形状和对一级压砧进行精确控制,将压力提升到了30—50吉帕。同时,缑慧阳团队还利用高质量的碳化钨压砧,不进行任何调整,优化组装方式,实现了2000摄氏度下毫米量级的30吉帕高压。

  除了填补理论上的空白,次晶态金刚石的合成更具备广泛的应用价值。次晶态金刚石除了具有和普通晶体金刚石相当的力学性能以外,还有非常独特的可调节的光学性能。“这意味着次晶态金刚石可能会是一个极端条件下非常良好的窗口材料。”缑慧阳指出,由于次晶态金刚石具有非常宽的荧光峰和较高的热稳定性,预期未来将在包括生物医学等在内的多个领域产生更加广泛的应用。

  来源:科技日报

【再现古代先民高原生活图景】

古代先民所穿的“雪地靴”长什么样?当灾难来临时,四千年前的人们如何应对?世界上的第一碗面条出现在哪里?它是用什么材料和方法制作的?2020年度被列入“全国十大考古新发现”的都兰热水墓群上新了哪些文物?

11月30日,青海省博物馆重新与大众见面。经过半年的展陈改造,其展陈面积增加至9450平方米,上展文物1331件(套)/2405件,其中一级文物191件,珍贵文物248件(套)。日前,记者走进青海省博物馆,在“青海历史文物展”“青海非物质文化遗产精品展”“青海考古成果展”“百年青海革命文物目录展”等展览中了解青海地域历史及民族文化。

睿智——当远古人类遇上泥土

走进“青海历史文物展”展厅,首先映入眼帘的是各式各样的彩陶器。彩陶盆、彩陶瓮、彩陶瓶、彩陶鼓、彩陶壶等形态各异、纹样精美。展柜中一个酷似现代雪地靴的彩陶器格外引人注目。

细看这只“雪地靴”,靴筒上绘有对称双线回纹,靴帮上则装饰着双线带纹和三角纹。“陶靴虽然是一种容器,但其造型是古代先民穿靴的直接反映。这件出土于青海省海东市乐都区柳湾墓地的彩陶靴在我国属首次发现。”博物馆讲解员安瑞婷介绍。

陶器源于古代先民在用火过程中的发现,被火烧过的泥土会变得坚硬有型,并且其中一些四边向上兜起的“泥块”还能保存雨水,受此启发,人们开始有意识地将泥土制作成它们想要的形状,然后放到火中烧制,陶器就这样诞生了,并逐渐成为人们的日常生活用品。

青海境内的彩陶文化跨度涵盖仰韶文化、马家窑文化以及宗日、齐家、辛店、卡约等文化时期。不同于现代陶器的工业涂料,先民的彩陶颜色来自矿物质颜料,历经数千年光彩依旧。

漩涡纹、锯齿纹、回形纹、蛙纹、圆圈纹、三角纹、网格纹……陶器根据器形配以不同的纹样,有的纹样直接反映出原始先民的生产生活图景。“青海考古成果展”展厅中的舞蹈纹彩陶盆就生动展现了原始人类集体舞蹈的场景:陶盆内壁画了两组人穿着圆球装束,手拉手跳舞,整个画面看似静止,却让人感受到舞动的节奏。

展出的一件件彩陶,似乎在诉说着千年前,先民们在这片土地上如何开辟出自己的家园乐土。

要冲——作为“锁钥之地”的青海

在数千年前的青藏高原,中西方的文明交流是如何进行的?青海省博物馆收藏的圆銎宽叶倒钩铜矛就讲述了四千年前关于“交流”的故事。

这柄铜矛被发现于青海省西宁市城北区的沈那遗址,器体宽大,铸造精美,与欧亚草原阿尔泰山塞伊玛——图尔宾诺文化同类器形极为相似,类似的铜矛在河南淅川下王岗遗址、青海大通永丰村等地也有发现。这说明早在四千年前,我国中原和西部地区的先民就与来自欧亚草原上的游牧部落有了接触,这比丝绸之路的文明交流,早了约两千年。

“青海长云暗雪山,孤城遥望玉门关。”地处东西方文化交汇区的青海,是中原农耕文化与草原游牧文化的接合部,唐蕃古道、茶马古道穿越青海,不同的经济形态、复杂的民族结构、各种文化因素在这里交融汇聚,留下了6000余处辉煌灿烂的文化遗存。

展柜中的一组波斯萨珊朝银币就是青海地区中西交流的产物。波斯银币是古代中亚国际性货币之一,魏晋南北朝时期已在西域各国流通使用。由于丝绸之路青海道的开通和吐谷浑开展东西方贸易,波斯银币也流通到了青海,它的出土反映了公元4世纪末到6世纪初青海在中西贸易往来交通线上的重要地位,也印证了丝绸之路青海道文化交流和商业贸易的繁荣盛况。

精致——都兰热水墓文物展现古人生活

古人在青藏高原上的生活有多精致?璀璨夺目的金银器,纹饰精美的丝织品……青海都兰热水墓群的出土文物或许可以给你答案。

热水墓群位于青海省都兰县热水乡扎玛日村血渭草场,1996年被国务院公布为第四批全国重点文物保护单位。2018年至2020年中国社会科学院考古研究所与青海省文物考古研究所联合对热水墓群中的2018血渭一号墓进行发掘,出土金银器、铜器、铁器、漆木器、皮革、玉石器、玻璃器及纺织品等各类文物千余件。

在“青海考古成果展”展厅,都兰2018血渭一号墓出土的24件文物在“黄金之丘——热水墓群”单元首次亮相,吸引不少观众驻足观看。通过微缩景观、主题宣传片、场景复原、纪录片推介等形式,搭配以声、光、色等辅助手段,观众在行走间品味独特的文化魅力。

展柜里出土于2018血渭一号墓的双狮日月金牌饰是重要展出文物之一,金牌饰的中心是由日、月和宝相花上下组合的图案,图案两侧各有一个蹲坐的雄狮,雄狮或衔日或拱月,鬃毛怒张,前腿弓,搭在宝相花上,后腿曲,尾巴卷曲呈环状,狮身各镶嵌一紫水晶;双狮日月金牌饰的旁边是一支造型精美的镶绿松石凤钗,同样出土于2018血渭一号墓,凤鸟站在一支钗脚上,另一支钗脚从凤鸟的胸前伸出,通身用绿松石镶嵌的凤鸟栩栩如生……

“血渭一号墓是热水墓群乃至青藏高原地区发现的布局最完整、结构最清晰、形制最复杂的高等级墓葬之一,为研究唐(吐蕃)时期青藏高原的葬制、葬俗及唐与少数民族关系史、丝绸之路交通史、物质文化交流史等相关问题提供了重要的实物依据。”安瑞婷说。

来源:光明日报


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