科技日报记者 荆晓青
12月18日，记者从北京高压科学研究中心了解到，该中心研究员李阔和研究员郑海燕团队联合清华大学等机构的科研团队，在金刚石纳米线研究方面取得新突破，相关成果日前刊发在国际期刊《Chem》（化学）上。论文通讯作者李阔介绍，该研究通过高压退火技术，以1-萘甲酸单晶为原料实现了百微米级金刚石纳米线单晶材料的成功制备。该单晶材料展现出近零轴向压缩率和极强的导热各向异性，有望用于下一代高性能纳米电子器件等领域。
金刚石纳米线作为只有几个碳原子粗细的一维金刚石类纳米材料，既继承了金刚石的“硬核实力（高强度、优异导热性、绝缘性）”，又自带聚合物的“柔性特质”，在纳米机械系统、超高灵敏度传感器、微电子散热等领域具有巨大的应用价值。特别是其独特的各向异性导热能力，有望解决电子设备中“定向散热”的难题，突破传统散热材料的性能瓶颈。
该中心博士研究生、论文作者曾庆超表示：“2015年，美国科学家首次在苯的高压聚合产物中观察到了金刚石纳米线。然而，接下来的十年，该领域的研究始终未能突破制备高质量、大尺寸材料的核心瓶颈。得到的材料普遍存在结晶度差、晶粒尺寸小等问题，这不仅导致其无法进行性能测试，更限制了其在高端科技领域的应用。”
据了解，该中心科研团队致力于研究高压条件下不饱和分子的化学反应，其中之一就是高压条件下合成金刚石纳米线的研究。近年来，他们合成了多种具有原子尺度有序结构的超细金刚石纳米线、石墨烷-烯纳米带材料。此次研究中，团队创新性地采用“单晶到单晶”的拓扑化学聚合策略，通过精准调控反应条件，成功合成出了高质量的百微米级别的单晶金刚石纳米线。
“我们利用1-萘甲酸分子特有的羧基-羧基氢键作用和21.6°的最优滑移角，有效实现了分子的高效预堆叠，结合20吉帕高压与573K退火的协同作用，抑制了内部缺陷的产生，确保了聚合过程中晶体结构的完整性。”李阔表示，研究结果显示，合成的金刚石纳米线单晶具有类六方金刚石的结构，尺寸达140×100×20微米，这是目前报道的最大尺寸的金刚石纳米线单晶，为宏观性能测试提供了关键基础。
值得关注的是，该研究建立了一套“分子预设计-高压拓扑聚合-退火缺陷消除”的可控合成新方法。研究团队通过固体核磁共振、X射线原子对分布函数等测量，揭示了碳原子的反应选择性，阐明了狄尔斯-阿尔德连续反应主导的聚合机理，为设计合成具有特定结构的低维碳材料提供了理论指导。
此外，该工作实现了金刚石纳米线单晶在常压下的稳定保留，为金刚石纳米线单晶的实际应用迈出了关键的第一步。随着合成技术的进一步优化，金刚石纳米线有望在通信、量子计算、新能源汽车等领域的热管理系统中获得广泛应用。
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