四配位（sp3雜化）是碳在高壓下的熱力學穩(wěn)定構型。然而，在非常大壓力范圍內(nèi)面心立方是熱力學最穩(wěn)定的金剛石結構。因此，如何合成非立方相的新型金剛石材料面臨理論和技術上的挑戰(zhàn)。近日，吉林大學綜合極端高壓科學中心、高壓與超硬材料全國重點實驗室劉冰冰教授、唐虎教授團隊在新型金剛石合成領域取得突破性進展。在國家重大科技基礎設施“綜合極端條件實驗裝置—高溫高壓大體積材料研究系統(tǒng)”的大腔體壓機中引入非平衡單軸應力關鍵核心技術，制備出毫米級高質(zhì)量六方金剛石和次晶態(tài)金剛石。與中山大學侯仰龍教授、朱升財教授團隊合作，利用先進大尺度分子動力學模擬在原子層面闡明了石墨和富勒烯在非平衡高壓下形成六方金剛石和次晶態(tài)金剛石的動態(tài)過程。系列成果以“Direct synthesis of millimeter-sized hexagonal diamond from graphite”、“Key for Hexagonal Diamond Formation: Theoretical and Experimental Study”和“Uniaxiality-Induced Reduced-Pressure Synthesis of Ultrahard Paracrystalline Diamond”為題分別發(fā)表在國際權威期刊《Science Bulletin》、《Journal of the American Chemical Society》和《Advanced Materials》上。

       1.毫米級純相六方金剛石的合成和石墨高壓相變研究

       六方結構的金剛石自上世紀60年代被提出以來，因其理論硬度比立方金剛石高50%而備受關注。然而六方金剛石的形成機制不清和高壓實驗技術的限制，使得純相六方金剛石難以合成。研究團隊認為傳統(tǒng)的大腔體高壓裝置（6-8）極易破壞石墨層脆弱的堆垛次序，丟失通過石墨合成六方金剛石本征的動力學優(yōu)勢，這是過去半個世紀無法獲得純相六方金剛石的關鍵。針對這一技術難題，研究團隊設計了一套新的高溫高壓裝置（6-8-2）：在傳統(tǒng)的高壓裝置中引入單軸應力，在壓縮過程中保護了石墨的本征結構，以利于六方金剛石的形成（中國授權發(fā)明專利：ZL 2024 1 0904498.8）。利用該裝置在20 GPa/1773 K的溫壓條件下成功合成了毫米級純相六方金剛石（圖1），并結合宏觀XRD和微觀PED分析排除了樣品中石墨和立方金剛石存在的可能性。結合分子動力學模擬（圖2），清晰地闡明了石墨通過一個“正交石墨”中間相轉變到六方金剛石并指出六方金剛石在形核和生長過程中受熱動力學影響會形成本征的層錯。

       圖1.合成的六方金剛石塊體的結構表征：XRD（a）；Raman（b）；EELS（c）；PED（d-e）；HRTEM（f-g）；模擬的原子結構圖（h）。

       圖2.六方金剛石的合成機制：高溫高壓下AB堆垛的石墨向六方金剛石的結構轉變。

       同時，研究進一步發(fā)現(xiàn)了石墨向金剛石轉變的動力學選擇對壓力十分敏感。降低壓力將促進石墨向熱力學穩(wěn)定的立方金剛石發(fā)生轉變（圖3）。證實了高壓低溫條件通過抑制石墨層間滑移優(yōu)先穩(wěn)定六方金剛石相；而溫度升高或壓力降低則會激活立方金剛石成核的競爭機制。結果顯示15 GPa是一個臨界壓力，在這個壓力下，石墨同時向立方和六方金剛石發(fā)生轉變。石墨的（002）面轉變?yōu)榱降模?00）和立方的（111）面，形成了獨特的立方/六方異質(zhì)結構的復合材料。不同于傳統(tǒng)認知的立方（111）和六方（002）形成的共格界面。

      圖3.在低壓（15 GPa）合成異質(zhì)結構的立方/六方金剛石復合材料。

       研究系統(tǒng)表征了六方金剛石的力學與功能特性（圖4）。揭示了合成六方金剛石具有顯著的力學各向異性：垂直（100）面方向維氏硬度達165±4 GPa，平行方向為124±4 GPa。垂直方向硬度值較立方金剛石(100)面提升61.8%。納米壓痕測試顯示六方金剛石楊氏模量（100）面達1132±5 GPa，立方金剛石(100)面（1060±15 GPa）提升6.8%。六方金剛石具有4.59 eV的帶隙，較單晶立方金剛石（5.11 eV）收窄10.2%。熱重-差熱（TG-DSC）分析表明六方金剛石在空氣中可穩(wěn)定至900 K。

       圖4.六方金剛石的物理化學性質(zhì)：維氏硬度（a）；納米壓痕硬度和楊氏模量（b）；硬度vs剪切模量圖（c）；光學帶隙（d）；抗氧化性（e）。

       該研究成果“Direct synthesis of millimeter-sized hexagonal diamond from graphite”的第一完成單位為吉林大學物理學院、高壓與超硬材料全國重點實驗室和綜合極端條件高壓科學中心，論文第一作者為袁曉紅博士、共同一作為陳顧文（中山大學畢業(yè)碩士研究生，現(xiàn)為復旦大學在讀博士研究生）。劉冰冰教授、朱升財教授（中山大學）和唐虎教授為論文共同通訊作者。吉林大學劉兆東教授、胡闊博士后、潘越博士研究生、廈門大學王鳴生教授和程勇助理教授團隊、北京高壓科學研究中心劉扶陽研究員、燕山大學柯雨蛟老師重點參與了該項研究。

       研究團隊還與中山大學候仰龍教授、朱升財教授團隊合作闡明了六方金剛石在高溫高壓環(huán)境下的形成機制，指明了石墨基面AB層堆疊和抑制層間的過度滑移是合成六方金剛石的關鍵。發(fā)現(xiàn)當石墨ABAB堆垛保持良好，沿石墨[001]方向的準單軸壓縮抑制橫向滑移，溫度條件溫和時，石墨會轉變?yōu)镠D；而當ABAB堆垛受到干擾或?qū)踊凭嚯x較大時，石墨會轉變?yōu)镃D。

       當石墨的ABAB堆垛保持完好時，在高壓低溫條件下通過短距離（1.8 ?）的層間滑動可以轉變到AB'AB'堆垛的正交石墨隨后通過層間成鍵直接轉變到六方金剛石（圖5）。在高溫條件下，可以越過長距離滑移勢壘，通過長距離（3.1 ?）滑移，石墨趨向于轉變?yōu)锳BCABC堆疊的菱方石墨，從而有利于熱力學穩(wěn)定的立方金剛石形成。此外，結合實驗研究發(fā)現(xiàn)（圖6）：一旦石墨被嚴重變形，其本征ABAB堆垛受到破壞從而變得無序。局部的無序堆垛石墨趨向于滑動到ABCABC堆疊的菱方石墨，實現(xiàn)局部的立方金剛石形核。這解釋了過去傳統(tǒng)高溫高壓實驗難以合成六方金剛石的原因。

       圖5.(a)成核過程中的石墨層滑動距離;(b)滑動距離對HD和CD形成影響的示意圖。

       圖6.在20 GPa-1200 ℃條件下，分別沿z軸和xy平面熱壓縮石墨實現(xiàn)向六方金剛石（HD）和立方金剛石（CD）的相變研究。

       該研究成果“Key for Hexagonal Diamond Formation: Theoretical and Experimental Study”的第一完成單位為中山大學。中山大學材料學院朱升財副教授、陳顧文同學，以及吉林大學物理學院、高壓與超硬材料全國重點實驗室和綜合極端條件高壓科學中心袁曉紅博士為文章的第一作者，中山大學朱升財副教授、侯仰龍教授、吉林大學唐虎教授擔任共同通訊作者，作者還有中山大學碩士生萬明昊，廈門大學程勇助理教授、王鳴生教授，吉林大學徐保銀博士研究生。

       2.高質(zhì)量、透明次晶態(tài)金剛石的“低壓”合成

       碳材料因其獨特的結構多樣性和優(yōu)異的物理化學性質(zhì)，在材料科學領域一直備受關注。近年來國內(nèi)外在無序碳材料合成和性能開發(fā)領域取得了顯著的進步。其中，次晶態(tài)金剛石由于其獨特的近中程序結構，作為一類特殊地無序sp3碳而備受關注。2021年北京高壓科學研究中心緱慧陽研究員領導團隊首次合成了次晶態(tài)金剛石（Nature 599, 605–610, 2021，唐虎教授為文章一作）。然而，研究團隊認為其30GPa的合成壓力仍然太高，不利于其未來的工業(yè)化制備和應用。針對這一問題，研究團隊在高溫高壓環(huán)境中引入單軸應力，在16GPa-1600K溫壓條件下實現(xiàn)了次晶態(tài)金剛石的合成，其合成壓力降低了50%（圖7）。值得注意的是，該合成壓力是已工業(yè)化實現(xiàn)的壓力水平，這意味著次晶態(tài)金剛石具有了工業(yè)化生產(chǎn)的可能性。

       圖7.突破高溫高壓下C60的傳統(tǒng)實驗相圖，在16 GPa-1600K條件下獲得透明次晶態(tài)金剛石。

       為了深入探究單軸應力對次晶態(tài)金剛石合成的影響，研究團隊借助大尺度分子動力學對比了C60分子在單軸壓力(NIP)和靜水壓(IP)條件下的結構轉變，證明了單軸應力的引入顯著破壞了C60分子的球?qū)ΨQ結構，致使其在較低的壓力下坍塌。這一過程加速了C60在高壓下非晶化（圖8），有助于其在低的壓力條件下轉變?yōu)榇尉B(tài)金剛石。這項研究揭示了單軸性應力在低壓次晶態(tài)金剛石過程中的關鍵作用，為開發(fā)新型低成本高壓材料提供了一種有效的策略。

圖8.分子動力學模擬C60在非平衡壓力環(huán)境下的結構演變。

       該研究成果“Uniaxiality-Induced Reduced-Pressure Synthesis of Ultrahard Paracrystalline Diamond”的第一完成單位為吉林大學綜合極端條件高壓科學中心、高壓與超硬材料全國重點實驗室，論文第一作者為潘越博士研究生、共同一作為袁曉紅博士，劉冰冰教授、唐虎教授、中山大學朱升財教授、胡闊助理研究員為該文的共同通訊作者，合作者包括廈門大學王鳴生教授和程勇助理教授、吉林大學劉兆東教授、李全軍教授、徐保銀博士研究生、劉書成博士研究生、王志同碩士研究生和王世達碩士研究生。

       以上研究受到國家重點研發(fā)計劃(No. 2018YFA0305900)、國家自然科學基金(U23A20561, 12274383, 21703004, 52172240)、高壓與超硬材料國家重點實驗室開放課題(No.202403)和廣東省自然科學基金（No. 2025A1515012119）等項目的共同資助。同時也得到了國家重大科技基礎設施-綜合極端條件實驗裝置B1和B3線站的大力支持。

文章信息和鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927325002269?via%3Dihub

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c16312

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202500037