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我學(xué)者找到合成“超級鉆石”新途徑

2025-02-13 15:03:38    來源：科技日報

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)隊聯(lián)合中山大學(xué)朱升財教授，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，并首次合成了高質(zhì)量、近純的六方金剛石塊體材料，其硬度高出立方金剛石，并具有良好的熱穩(wěn)定性。相關(guān)研究成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然·材料》。

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硬而備受關(guān)注。但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。

此前有研究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。團(tuán)隊受到啟發(fā)——在探索六方金剛石的人工合成時，高壓相結(jié)構(gòu)很可能是關(guān)鍵所在。

為此團(tuán)隊設(shè)計了高溫高壓實驗，利用激光加溫金剛石對頂砧技術(shù)，原位研究了石墨在50吉帕超高壓高溫下的結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。他們發(fā)現(xiàn)石墨在高壓力區(qū)間會形成后石墨相高壓結(jié)構(gòu)，再通過局部加熱，便成功獲得了六方金剛石。

研究表明，人工合成六方金剛石具有出色的物理性質(zhì)，硬度超過天然金剛石40%;真空環(huán)境下熱穩(wěn)定性可以達(dá)到1100℃，優(yōu)于納米金剛石的900℃。團(tuán)隊進(jìn)一步結(jié)合大尺度分子動力學(xué)理論模擬，揭示石墨層堆疊構(gòu)型對形成六方金剛石結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵作用，證實了石墨經(jīng)由后石墨相形成六方金剛石的全新路徑。

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，對深入了解隕石中鉆石的具體來源和重大地質(zhì)事件也有重要意義。 ( 楊侖)

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