中国科学技术大学吴恒安教授团队基于大规模分子动力学(MD)模拟，提出了六种具有代表性的非晶碳相，获得了非晶碳的全面微观结构图景。这些相分别为无序石墨烯网络(DGN)、高密度非晶碳(HDAC)、非晶硅化物(a-DG)、非晶金刚石(aD)、次晶金刚石(pD)和纳米多晶金刚石(NPD)。研究团队对微观结构拓扑特征及其对短程到中程有序性的贡献进行了深入分析。值得注意的是，a-DG 表现出非晶石墨和原子无序金刚石的混合特征，而 pD 则展示了分布在非晶基质中的大量类金刚石纳米核。它们的微观结构拓扑特征与实验中新合成的无定形碳有着惊人的相似性，这种一致性表明模拟模型可以有效地捕捉在实验制备的无定形碳中观察到的各种微观结构。
此外，该团队通过将模拟数据与实验观察结果进行比较进行了全面分析，从而开发了 sp 3 /sp 2与密度平面的相图。相图揭示了以意想不到的不连续性为特征的有趣模式，这种不连续性源于不同类型的无定形碳微观结构拓扑的固有差异。有趣的是，该团队发现了一个拟合的幂律：log(sp 3 /sp 2 ) ~ ρ n，其中不同的 n 值表示可以通过在特定的温度-压力条件下操纵 sp 3 /sp 2比率来调节无定形碳的微观结构稳定性。尽管密度、温度和压力的变化会导致原子级无序性发生显著变化，但仍然可以通过短/中程有序拓扑微结构区分不同类型的无定形碳。这种分类方法为进一步研究无定形碳的机械性能和其他相关属性铺平了道路。
此外，研究人员基于不连续相图探索了不同类型的非晶碳之间可能的相变路径。研究发现，在高温高压条件下对DGN进行退火，可以得到a-DG、aD和pD等典型的非晶碳结构。此外，还观察到了DGN与HDAC之间的可逆相变，与最近的第一性原理计算结果一致。因此，在适当的温度和压力条件下，不同类型的非晶碳之间可能存在着丰富的尚未发现的相变和微观结构演变。后续研究目标是探究这些相变的调控机制，为非晶碳材料的实验合成提供有价值的理论指导。
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