我国实现百微米级金刚石纳米线单晶合成

  在低维碳材料研发成为全球高端制造领域竞争焦点的背景下，精密仪器与创新合成技术的协同突破正不断推动该领域技术边界。近日，北京高压科学研究中心联合清华大学等机构，依托高压退火技术成功制备出百微米级金刚石纳米线单晶材料，相关成果已刊发于国际权威期刊《Chem》。这一突破不仅打破了全球该领域十年未破的“高质量、大尺寸制备”核心瓶颈，更凸显了高压极端条件设备、精密表征仪器在前沿碳材料研发中的核心支撑价值，为我国高端纳米材料制备技术升级及相关仪器应用拓展奠定重要基础。

  金刚石纳米线作为兼具金刚石“高强度、优导热、绝缘”特性与聚合物“柔性”的一维纳米材料，在纳米机械系统、微电子散热、超高灵敏度传感器等高端领域应用前景广阔。但自2015年美国科学家首次观测到该材料以来，全球研究始终受限于结晶度差、晶粒尺寸小等问题，无法开展宏观性能测试，更难以实现产业化应用。

  此次突破的关键，在于科研团队创新性采用“单晶到单晶”拓扑化学聚合策略，而这一策略的落地，离不开精准可控的极端条件设备与精密表征仪器的协同支撑。据相关负责人介绍，团队利用1-萘甲酸分子特有的羧基-羧基氢键作用和21.6°最优滑移角实现分子高效预堆叠，再通过20吉帕高压与573K退火的协同作用抑制缺陷产生，最终合成出尺寸达140×100×20微米的类六方金刚石结构单晶——这也是目前全球报道的最大尺寸金刚石纳米线单晶。

  在材料结构解析与反应机理阐明环节，固体核磁共振、X射线原子对分布函数测量等精密表征仪器发挥了核心作用。团队通过600M宽腔固体核磁共振波谱仪对碳原子空间相互作用的精准分析，结合基于EMPYREAN型X射线衍射仪的原子对分布函数测试技术，成功揭示了碳原子的反应选择性，明确了狄尔斯-阿尔德连续反应主导的聚合机理。据了解，原子对分布函数分析技术可突破传统衍射方法对长程有序结构的依赖，精准捕捉材料中程结构信息，为低维碳材料的结构设计提供了关键数据支撑。

  “此次研究建立的‘分子预设计-高压拓扑聚合-退火缺陷消除’可控合成新方法，不仅为特定结构低维碳材料的设计合成提供理论指导，更对高压设备的精准调控能力、表征仪器的检测精度提出了新的应用需求。”行业专家指出，该成果实现了金刚石纳米线单晶在常压下的稳定保留，迈出了实际应用的关键一步，其展现的近零轴向压缩率和极强导热各向异性特性，有望破解电子设备“定向散热”难题，推动通信、量子计算、新能源汽车等领域热管理系统的技术变革。

  据科研团队透露，下一步将持续优化合成技术参数，推动该材料在高端纳米电子器件中的应用验证。而这一过程，将进一步带动高压退火设备、精密表征仪器等相关装备的技术迭代与国产化升级，为我国在低维碳材料领域构建“材料研发-仪器支撑-产业应用”的良性循环提供有力支撑。