我国学者与海外合作者在石墨金刚石相变研究中取得进展

图 （a）石墨-金刚石界面原子像；（b）石墨-金刚石共格界面及结构基元示意图；（c）Gradia样品图；（d）Gradia杂交碳的硬度；（e）Gradia杂交碳的电阻率

　　在国家自然科学基金项目（批准号：52090020、91963203）等资助下，燕山大学赵智胜教授与国内外学者合作，揭开了静高压下石墨到金刚石直接相变这一困扰学术界半个多世纪的科学之谜，同时发现了一类新型杂交碳材料。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》（Nature）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。不同结构基元的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族元素单质、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^-4~4.9×10⁵ Ω·m之间可调；断裂韧性很高，尚不能采用压痕法进行测量。Gradia集合了石墨和金刚石的性能优势，可通过改变石墨和金刚石的比例进行性能调控，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（图）。

　　本工作揭示的石墨/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。