近日，郑州大学材料科学与工程学院先进陶瓷课题组在国际顶级期刊《Carbon》（IF=9.594）发表题为“In-situ TEM observations of the structural stability in carbon nanotubes, nanodiamonds and carbon nano-onions under electron irradiation”的原创性研究论文。刘雯老师为论文通讯作者，硕士研究生林兆昀为论文第一作者，郑州大学材料科学与工程学院为论文第一作者单位和通讯单位。

近年来，随着纳米结构在提高抗辐照性能方面逐渐展现出潜力，越来越多的研究者希望通过在现有候选核材料中添加碳纳米材料，使新材料在获得改善的抗辐照性能的同时具有优异的综合性能。研究团队采用原位透射电子显微镜(In–situ TEM)研究了游离态的1D多壁碳纳米管(MWCNT)，0D纳米金刚石(ND)和纳米洋葱碳(CNO)等几种纳米碳材料的抗电子辐照性能。从形貌、固有缺陷和sp2–sp3杂化三个关键因素入手，深入探讨纳米碳材料辐照损伤机理。通过HRTEM的研究发现不同碳结构在电子辐照下具有相似的缺陷类型，但却表现出不同的结构稳定性。与直径10~30 nm、长径比200~2000的MWCNT相比，在高剂量(2.698 × 1025 e/cm2)和高电流密度(1.66 × 103 A/cm2和3.79 × 103 A/cm2)作用下，平均直径为10 nm的ND和CNO具有更好的结构稳定性。固有缺陷的影响方面，通过比较多缺陷和少缺陷的CNO和CNT发现，材料中固有缺陷的存在导致纳米碳材料在较低的剂量下就表现出结构稳定性的衰退。

图1 不同碳纳米材料电子辐照下结构稳定性比较，d为(002)的晶面间距

进一步比较sp3结构的ND和sp2结构的CNO发现，sp3结构在电子辐照下会向sp2结构转变，而sp2结构本身则具有更好的稳定性。此外，缺陷的迁移方向可以通过是否内部空腔改变，这是由纳米碳结构中的辐照诱导压力所引起的。本研究建立了纳米碳结构材料抗辐照性的评判标准，为辐照环境下含碳纳米结构复合材料和功能器件的研制提供了合理的结构设计和工程指导。该项工作得到了国家自然科学基金青年科学基金项目和中国博士后科学基金经费的支持。

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.02.079