【新聞中心訊】近期，燕山大學(xué)亞穩材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室田永君院士團隊趙智勝等人與國內外學(xué)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(xué)界半個(gè)多世紀的難題，同時(shí)發(fā)現了一類(lèi)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(xiàn)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(jiàn)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(jìn)行，相變機理一直存在很大爭議。燕山大學(xué)研究團隊在靜高壓下部分相變的石墨樣品中首次觀(guān)察并確定了石墨和金剛石之間的共格界面結構，進(jìn)而闡明了靜高壓下石墨/金剛石相變機理：石墨層通過(guò)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(guò)共格界面向石墨區域的推進(jìn)，實(shí)現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(cháng)和協(xié)同切變機制，并可能適用于其他的共價(jià)材料，如IVA族單質(zhì)、IIIA-VA化合物等的固-固相變過(guò)程。
研究團隊將這類(lèi)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(xué)性能和電學(xué)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(wú)法采用常規壓痕方法進(jìn)行測量。Gradia集合了石墨和金剛石的性能優(yōu)勢，并可通過(guò)改變石墨和金剛石的比例對其性能進(jìn)行進(jìn)一步調控，是實(shí)現導電/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(lèi)型，發(fā)現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(zhuān)利，前期預言此類(lèi)雜交結構可以穩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(xué)基金(52090020、91963203、51772260、U20A20238等)、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃(2018YFA0703400、2018YFA0305900)、河北省杰出青年科學(xué)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。
