燕山大学在石墨/金刚石相变研究中取得重要进展

亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室 李英梅 科学技术研究院 王丽芳

【新闻中心讯】近期，燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室田永君院士团队赵智胜等人与国内外学者合作，阐明了静高压下石墨到金刚石直接相变这一困扰了科学界半个多世纪的难题，同时发现了一类具有优异性能组合的新型杂交碳材料。研究成果以“共格界面控制从石墨到金刚石的直接转变(Coherent interfaces govern direct transformation from graphite to diamond)”为题，于2022年7月6日在线发表于《自然》杂志，论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04863-2。

石墨和金刚石是自然界中最常见的碳材料。从石墨到金刚石的直接转变通常在高温高压的“黑盒子”里进行，相变机理一直存在很大争议。燕山大学研究团队在静高压下部分相变的石墨样品中首次观察并确定了石墨和金刚石之间的共格界面结构，进而阐明了静高压下石墨/金刚石相变机理：石墨层通过两种菱形结构基元和两种矩形结构基元局部键合形成共格界面，通过共格界面向石墨区域的推进，实现石墨到金刚石的转变。结构基元的不同组合形成了变化多样的共格界面结构，导致在金刚石相变区域形成了丰富的亚结构(层错、孪晶、金刚石多形体等)。这种全新的固/固相变机制不同于经典的成核生长和协同切变机制，并可能适用于其他的共价材料，如IVA族单质、IIIA-VA化合物等的固-固相变过程。

研究团队将这类具有石墨/金刚石共格界面的杂交碳材料命名为Gradia。Gradia具有优异的力学性能和电学特性组合：努氏硬度在51-115GPa之间可调；室温电阻率在8´10^-4-4.9´10⁵Ω·m之间可调；断裂韧性很高，且无法采用常规压痕方法进行测量。Gradia集合了石墨和金刚石的性能优势，并可通过改变石墨和金刚石的比例对其性能进行进一步调控，是实现导电/超硬、极韧/极硬等优越性能组合的新一代高性能碳材料。

研究揭示的石墨/金刚石直接相变机制丰富了固/固相变类型，发现的新型杂交碳材料为发展高性能新材料提供了启示。该研究成果已申请中国、美国、日本、欧洲发明专利，前期预言此类杂交结构可以稳定存在的理论工作发表在Chin. Phys. Lett. 38, 028102 (2021); Chin. Phys. Lett. 39, 036301 (2022); Mater. Today Phys. 23, 100630 (2022)。

该工作得到国家自然科学基金(52090020、91963203、51772260、U20A20238等)、国家重点研发计划(2018YFA0703400、2018YFA0305900)、河北省杰出青年科学基金(E2018203349)等项目的资助。论文的共同第一作者为罗坤、刘兵、胡文涛和董校，通讯作者为赵智胜教授。

图为共格界面控制的石墨到金刚石直接相变。a,石墨-金刚石界面原子像；b,石墨/金刚石界面结构及结构基元示意图；c, Gradia样品图；d, Gradia杂交碳的硬度; e, Gradia杂交碳的电阻率。

来源：燕山大学