新一代可设计控制的高性能碳材料

· 导 读 ·石墨和金刚石是两种完全不同的材料，石墨即铅笔芯的主要成分，质软、色黑、具有导电性。金刚石又被称为钻石，坚硬、剔透、不导电。这两种化合物的主要成分均为碳元素，在极端条件下可以相互转化。但其转化路径仍然存在着诸多谜团。 日前，燕山大学赵智胜教授团队与南开大学董校副教授团队合作，使用高压合成技术，依托“天河二号”完成了大规模结构优化和性质计算，解决了长久以来石墨到金刚石的相变路径争议，并制备出新型的石墨-金刚石复合材料Gradia，为碳材料家族新添了一名新成员。Gradia兼具石墨的导电性和金刚石的高硬度，同时也具有两者都不具备的韧性，具有非常大的现实应用潜力，最新成果于7月发表在国际权威杂志《Nature》。  

     

从1955年美国通用电气公司得到世界上第一批工业用人造金刚石小晶体开始，人们就不断地通过各种各样的方法，希望能够将石墨或其他碳材料转为金刚石。但尽管已经经过了数十年的研究，石墨到金刚石的转化路径尤其是其中的诸多细节仍然存在着诸多谜团。

金刚石 VS 石墨

首次阐明静高压下石墨/金刚石相变机理

碳，作为元素周期表中最有趣的一种元素，因其外层s2p2的特殊电子排布，具有形成sp，sp2，sp3的特殊能力，因而具有丰富的结构和性质多样性。探索碳的异构体及其相变路径，一直以来都是材料科学的研究热点之一。

近期，燕山大学赵智胜教授与南开大学董校副教授联合研究团队在静高压下部分相变的石墨样品中首次截留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：石墨层通过局域的石墨层sp2-sp3相变过程，形成特定的石墨-金刚石共格结构，进一步以其中的金刚石部分为种子，通过共格界面在石墨层中生长，进而完成石墨-金刚石的相变，这一过程中，因为石墨和金刚石的结构基元组合存在稳定性相近的不同组合，因此在纳米尺度上具有丰富的结构多样性，而这种共格纳米结构的多样性，进一步导致了金刚石相变区丰富的纳米结构，如层错、孪晶、金刚石多型体等，为进一步设计石墨-金刚石纳米结构，提供了思路和可行方法。

观测到的石墨-金刚石复合结构

 

新型复合材料Gradia性能优越

 

研究团队将制备出的新型石墨-金刚石复合结构命名为Gradia。它具有优异的力学性能和电学特性：努氏硬度在51-115 GPa之间；室温电阻率在8×10-4-4.9×105Ω·m之间可调；断裂韧性很高，无法采用常规压痕方法进行测量，说明Gradia通过界面结合，具备了石墨和金刚石都不具备的韧性。最为重要的是这些优异的性能可以通过调控石墨-金刚石的不同大小、比例和不同类型的界面结构进行调整，是实现兼具导电、超硬、极韧等优越性能，新一代可设计控制的高性能碳材料。该研究对新物质探索，新材料研发和基础物理化学规律的扩展等方面提供了重要的实现手段。

根据观测得到的石墨-金刚石路径及其势垒

 

天河二号推动材料计算获新突破

 

联合团队的最新研究成果以题为“Coherent interfaces govern direct transformation from graphite to diamond”于7月6日在国际著名期刊《Nature》上成功发表。燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室的罗坤博士、刘兵博士、胡文涛博士和南开大学物理科学学院董校副教授为论文共同第一作者。

作为广州超算材料设计领域的重点用户，董校副教授深耕材料计算科学领域多年，关注新型能带结构和极端条件下出现的新的物理和化学现象，通过结构预测，相变路径预测和分子动力学等方法探究新型材料在极端条件下的行为。在本项研究中他主要负责相变路径和势垒预测及结构的动力学稳定性分析工作。该项工作对计算的需求非常高，包括大量的结构优化和性质计算模拟。董校副教授介绍道，“天河二号”的高效并行计算系统大大缩短了模拟计算的时间，有力提升了团队的研究效率，该项研究成果是依托“天河二号”及超算应用平台获得的创新应用的典型代表。

该项研究工作采用高压合成技术，解决了长久以来石墨到金刚石的相变路径之争，制备出新型的石墨-金刚石复合材料Gradia兼具石墨的导电性和金刚石的高硬度，同时也具有韧性。作为碳材料家族的新成员，Gradia属于新一代可设计控制的高性能碳材料，具有非常大的应用空间，发展前景广阔。未来，研究团队将依托超算进一步探索和发现新型共价性超硬材料，并拓展其应用范围，为物理学和材料科学的发展做出新的贡献。 

论文原文地址： https://www.nature.com/articles/s41586-022-04863-2  

审核编辑 ：李倩