2月10日，記者從吉林大學獲悉，該校劉冰冰教授、姚明光教授團隊聯(lián)合中山大學朱升財教授，發(fā)現(xiàn)高溫高壓下石墨經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。相關研究成果發(fā)表在國際學術期刊《自然·材料》。
鉆石，即金剛石，有著“工業(yè)牙齒”的贊譽。早在1967年，美國科學家在隕石坑中發(fā)現(xiàn)了一種珍稀的“超級鉆石”，因其具有六方晶體結構、共生于隕石之中且更為堅硬而備受關注。半個世紀以來，人工合成純相六方金剛石卻是長期未能攻破的科學難題。
研究團隊在前期研究剪切力對石墨高壓下結構變化影響中，提出一種石墨到立方金剛石轉變的新機制，發(fā)現(xiàn)sp3碳高壓相結構的形成是重要因素。相關研究給團隊帶來啟發(fā)，在探索六方金剛石的人工合成時，高壓相結構很可能是關鍵所在。
考慮到隕石鉆石形成中，不僅有超高壓還有高溫條件，團隊為此設計了高溫高壓實驗，利用激光加溫金剛石對頂砧技術，原位研究了石墨在50GPa超高壓高溫下的結構變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)石墨在高壓力區(qū)間會形成“后石墨相”高壓結構，再通過局部加熱成功獲得六方金剛石。
研究團隊發(fā)現(xiàn)，六方金剛石具有出色的物理性質，硬度超過天然金剛石的40%，真空環(huán)境下其熱穩(wěn)定性可以達到1100℃，優(yōu)于納米金剛石的900℃。團隊進一步結合大尺度分子動力學理論模擬，揭示石墨層堆疊構型對形成六方金剛石結構的關鍵作用，證實了石墨經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用局限提供了可能。相關成果對深入了解隕石中鉆石的具體來源和重大地質事件有重要意義。
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