2025-02-21
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吉大高壓實(shí)驗(yàn)室劉冰冰、姚明光團(tuán)隊(duì)與中大朱升財(cái)教授合作，在Nature Materials發(fā)表研究，發(fā)現(xiàn)高溫高壓下石墨新路徑轉(zhuǎn)化為六方金剛石，并首次合成高質(zhì)量樣品，硬度超立方金剛石，熱穩(wěn)定性佳。此成果為六方金剛石合成提供新途徑，證實(shí)其獨(dú)立存在，豐富了超硬碳材料領(lǐng)域，或拓展立方金剛石應(yīng)用，對(duì)隕石鉆石及地質(zhì)研究也有重要意義。
1967年，美科學(xué)家在隕石坑發(fā)現(xiàn)珍稀“超級(jí)鉆石”，具六方晶體結(jié)構(gòu)且更堅(jiān)硬，但人工合成純相六方金剛石長(zhǎng)期無(wú)解。先前研究提示石墨到立方金剛石轉(zhuǎn)變中sp3碳高壓相結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵。受此啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)高溫高壓實(shí)驗(yàn)，用激光加溫金剛石對(duì)頂砧技術(shù)，發(fā)現(xiàn)石墨在高壓下形成后石墨相，再通過(guò)局部加熱成功合成六方金剛石。
研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期研究超高壓下碳材料，發(fā)現(xiàn)多種新結(jié)構(gòu)和新性質(zhì)（Nature, Science發(fā)表）。前期研究提出石墨到立方金剛石轉(zhuǎn)變新機(jī)制，指出sp3碳高壓相結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵（Phys. Rev. Lett.發(fā)表）。受此啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)高溫高壓實(shí)驗(yàn)，利用激光加溫金剛石對(duì)頂砧技術(shù)，發(fā)現(xiàn)石墨在50GPa下形成“后石墨相”，再通過(guò)加熱成功合成六方金剛石。結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬，揭示了石墨層堆疊對(duì)形成六方金剛石的關(guān)鍵作用，證實(shí)了新路徑。
研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期自研大腔體超高壓技術(shù)，解決壓機(jī)腔體尺寸與壓力極限難題，創(chuàng)新碳化鎢壓砧及組裝體，實(shí)現(xiàn)40GPa超高壓，提升60%，支撐高溫高壓材料制備（Engineering, Chin. Phys. Lett.發(fā)表）。針對(duì)六方金剛石合成，引入熱導(dǎo)率差異材料產(chǎn)生溫度梯度，模擬高溫高壓條件，30GPa、1400℃下制得毫米級(jí)高取向六方金剛石。該金剛石硬度155±9GPa，超天然金剛石40%，真空熱穩(wěn)定性達(dá)1100℃，優(yōu)于納米金剛石。
該成果提供了一種人工合成純相六方金剛石的有效途徑，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，對(duì)深入了解隕石中鉆石的具體來(lái)源和重大地質(zhì)事件也有重要意義。
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