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       近期，燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室田永君院士團(tuán)隊(duì)趙智勝等人與國(guó)內(nèi)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(jì)的難題，同時(shí)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(zhuǎn)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(jiàn)的碳材料。從石墨到金剛石的直接轉(zhuǎn)變通常在高溫高壓的“黑盒子”里進(jìn)行，相變機(jī)理一直存在很大爭(zhēng)議。燕山大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)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(jié)構(gòu)，進(jìn)而闡明了靜高壓下石墨/金剛石相變機(jī)理：石墨層通過(guò)兩種菱形結(jié)構(gòu)基元和兩種矩形結(jié)構(gòu)基元局部鍵合形成共格界面，通過(guò)共格界面向石墨區(qū)域的推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)石墨到金剛石的轉(zhuǎn)變。結(jié)構(gòu)基元的不同組合形成了變化多樣的共格界面結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致在金剛石相變區(qū)域形成了豐富的亞結(jié)構(gòu)(層錯(cuò)、孿晶、金剛石多形體等)。這種全新的固/固相變機(jī)制不同于經(jīng)典的成核生長(zhǎng)和協(xié)同切變機(jī)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(tuán)隊(duì)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(xué)性能和電學(xué)特性組合：努氏硬度在51-115GPa之間可調(diào)；室溫電阻率在8′10-4-4.9′105Ω·m之間可調(diào)；斷裂韌性很高，且無(wú)法采用常規(guī)壓痕方法進(jìn)行測(cè)量。Gradia集合了石墨和金剛石的性能優(yōu)勢(shì)，并可通過(guò)改變石墨和金剛石的比例對(duì)其性能進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)控，是實(shí)現(xiàn)導(dǎo)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(jī)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(qǐng)中國(guó)、美國(guó)、日本、歐洲發(fā)明專利，前期預(yù)言此類雜交結(jié)構(gòu)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(guó)家自然科學(xué)基金(52090020、91963203、51772260、U20A20238等)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2018YFA0703400、2018YFA0305900)、河北省杰出青年科學(xué)基金(E2018203349)等項(xiàng)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(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)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。