近期，燕山大學亞穩(wěn)材料制備技術與科學國家重點實驗室田永君院士團隊趙智勝等人與國內外學者合作，闡明了靜高壓下石墨到金剛石直接相變這一困擾了科學界半個多世紀的難題，同時發(fā)現(xiàn)了一類具有優(yōu)異性能組合的新型雜交碳材料。研究成果以“共格界面控制從石墨到金剛石的直接轉變(Coherent interfaces govern direct transformation from graphite to diamond)”為題，于2022年7月6日在線發(fā)表于《自然》雜志。

       論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04863-2。

       石墨和金剛石是自然界中最常見的碳材料。從石墨到金剛石的直接轉變通常在高溫高壓的“黑盒子”里進行，相變機理一直存在很大爭議。燕山大學研究團隊在靜高壓下部分相變的石墨樣品中首次觀察并確定了石墨和金剛石之間的共格界面結構，進而闡明了靜高壓下石墨/金剛石相變機理：石墨層通過兩種菱形結構基元和兩種矩形結構基元局部鍵合形成共格界面，通過共格界面向石墨區(qū)域的推進，實現(xiàn)石墨到金剛石的轉變。結構基元的不同組合形成了變化多樣的共格界面結構，導致在金剛石相變區(qū)域形成了豐富的亞結構(層錯、孿晶、金剛石多形體等)。這種全新的固/固相變機制不同于經(jīng)典的成核生長和協(xié)同切變機制，并可能適用于其他的共價材料，如IVA族單質、IIIA-VA化合物等的固-固相變過程。

       研究團隊將這類具有石墨/金剛石共格界面的雜交碳材料命名為Gradia。Gradia具有優(yōu)異的力學性能和電學特性組合：努氏硬度在51-115GPa之間可調；室溫電阻率在8′10-4-4.9′105Ω·m之間可調；斷裂韌性很高，且無法采用常規(guī)壓痕方法進行測量。Gradia集合了石墨和金剛石的性能優(yōu)勢，并可通過改變石墨和金剛石的比例對其性能進行進一步調控，是實現(xiàn)導電/超硬、極韌/極硬等優(yōu)越性能組合的新一代高性能碳材料。

       研究揭示的石墨/金剛石直接相變機制豐富了固/固相變類型，發(fā)現(xiàn)的新型雜交碳材料為發(fā)展高性能新材料提供了啟示。該研究成果已申請中國、美國、日本、歐洲發(fā)明專利，前期預言此類雜交結構可以穩(wěn)定存在的理論工作發(fā)表在Chin. Phys. Lett. 38, 028102 (2021); Chin. Phys. Lett. 39, 036301 (2022); Mater. Today Phys. 23, 100630 (2022)。

       該工作得到國家自然科學基金(52090020、91963203、51772260、U20A20238等)、國家重點研發(fā)計劃(2018YFA0703400、2018YFA0305900)、河北省杰出青年科學基金(E2018203349)等項目的資助。論文的共同第一作者為羅坤、劉兵、胡文濤和董校，通訊作者為趙智勝教授。

圖為共格界面控制的石墨到金剛石直接相變。

a,石墨-金剛石界面原子像；

b,石墨/金剛石界面結構及結構基元示意圖；

c, Gradia樣品圖；

d, Gradia雜交碳的硬度; 

e, Gradia雜交碳的電阻率。