科技日?qǐng)?bào)記者 楊侖
2月10日，記者從吉林大學(xué)獲悉，該校劉冰冰教授、姚明光教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中山大學(xué)朱升財(cái)教授，發(fā)現(xiàn)高溫高壓下石墨經(jīng)由后石墨相形成六方金剛石的全新路徑，并首次合成出高質(zhì)量、近純的六方金剛石塊體材料，發(fā)現(xiàn)其具有高出立方金剛石的極高硬度和良好的熱穩(wěn)定性。相關(guān)研究成果發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然·材料》。
鉆石，即金剛石，有著“工業(yè)牙齒”的贊譽(yù)。早在1967年，美國科學(xué)家在隕石坑中發(fā)現(xiàn)了一種珍稀的“超級(jí)鉆石”，因其具有六方晶體結(jié)構(gòu)、共生于隕石之中且更為堅(jiān)硬而備受關(guān)注。半個(gè)世紀(jì)以來，人工合成純相六方金剛石卻是長期未能攻破的科學(xué)難題。
研究團(tuán)隊(duì)在前期研究剪切力對(duì)石墨高壓下結(jié)構(gòu)變化影響中，提出一種石墨到立方金剛石轉(zhuǎn)變的新機(jī)制，發(fā)現(xiàn)sp3碳高壓相結(jié)構(gòu)的形成是重要因素。相關(guān)研究給團(tuán)隊(duì)帶來啟發(fā)，在探索六方金剛石的人工合成時(shí)，高壓相結(jié)構(gòu)很可能是關(guān)鍵所在。
考慮到隕石鉆石形成中，不僅有超高壓還有高溫條件，團(tuán)隊(duì)為此設(shè)計(jì)了高溫高壓實(shí)驗(yàn)，利用激光加溫金剛石對(duì)頂砧技術(shù)，原位研究了石墨在50GPa超高壓高溫下的結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)石墨在高壓力區(qū)間會(huì)形成“后石墨相”高壓結(jié)構(gòu)，再通過局部加熱成功獲得六方金剛石。
研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，六方金剛石具有出色的物理性質(zhì)，硬度超過天然金剛石的40%，真空環(huán)境下其熱穩(wěn)定性可以達(dá)到1100℃，優(yōu)于納米金剛石的900℃。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步結(jié)合大尺度分子動(dòng)力學(xué)理論模擬，揭示石墨層堆疊構(gòu)型對(duì)形成六方金剛石結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵作用，證實(shí)了石墨經(jīng)由后石墨相形成六方金剛石的全新路徑。
研究人員介紹，該成果不僅提供了一種純相六方金剛石人工合成的有效途徑，給出其獨(dú)立存在的有力證據(jù)，也為超硬材料和新型碳材料添加了性能更為優(yōu)異的新成員，為突破立方金剛石的應(yīng)用局限提供了可能。相關(guān)成果對(duì)深入了解隕石中鉆石的具體來源和重大地質(zhì)事件有重要意義。
