燕山大学在石墨/金刚石相变研究方面取得重要进展

近日，燕山大学亚稳态材料制备技术与科学国家重点实验室田勇军院士赵志胜等人与国内外学者合作，阐明了困扰科学界半个多世纪的静态高压下石墨向金刚石的直接相变。同时发现了一种性能组合优异的新型杂化碳材料。该研究成果名为“共格界面控制石墨向金刚石的直接转变”，于2022年7月6日在线发表在期刊《自然》上。

石墨和金刚石是自然界中最常见的碳材料。石墨向金刚石的直接转变通常发生在高温高压的“黑箱”中，相变的机理一直存在争议。燕山大学研究团队在静态高压下部分相变的石墨样品中，首次观察并确定了石墨与金刚石之间的共格界面结构。进而阐述了静态高压下石墨/金刚石相变的机理：石墨层通过两个菱形结构元素和两个矩形结构元素的局部键合形成共格界面，通过共格界面对石墨区的促进，实现石墨向金刚石的转变，结构元素的不同组合形成各种共格界面结构。丰富的亚结构(堆垛层错、孪晶、金刚石多晶等。)形成在金刚石相变区域中。这种全新的固-固相变机制不同于经典的成核生长和协同剪切机制，可能适用于其他共价材料的固-固相变过程，如IVA族单质和IIIA-VA族化合物。

研究团队将这种具有石墨/金刚石共格界面梯度的杂化碳材料命名为Gradia，该材料具有优异的力学和电学性能组合：努普硬度在51-115GPa之间可调；室温电阻率在810-4 ~ 4.9105m之间可调；断裂韧性很高，不能用常规压痕法测量。Gradia结合了石墨和金刚石的性能优势，通过改变石墨和金刚石的比例可以进一步调节其性能。是导电/超硬、极韧/极硬等优异性能组合的新一代高性能碳材料。

石墨/金刚石直接相变机理的揭示丰富了固/固相变的类型，新的杂化碳材料的发现为高性能新材料的开发提供了启示。研究成果已在中国、美国、日本和欧洲申请了发明专利，预测这种杂交结构稳定存在的前期理论工作已在中国发表。物理列特。38, 028102 (2021);下巴。物理列特。39, 036301 (2022);脱线。今日物理第23期，100630 (2022)

本工作得到了国家自然科学基金(52090020，91963203，51772260，U20A20238等)的资助。)，国家重点研发；d计划(2018YFA0703400，2018YFA0305900)，河北省杰出青年科学基金(E2018203349)。