新一代可設(shè)計控制的高性能碳材料

· 導 讀 ·石墨和金剛石是兩種完全不同的材料，石墨即鉛筆芯的主要成分，質(zhì)軟、色黑、具有導電性。金剛石又被稱為鉆石，堅硬、剔透、不導電。這兩種化合物的主要成分均為碳元素，在極端條件下可以相互轉(zhuǎn)化。但其轉(zhuǎn)化路徑仍然存在著諸多謎團。 日前，燕山大學趙智勝教授團隊與南開大學董校副教授團隊合作，使用高壓合成技術(shù)，依托“天河二號”完成了大規(guī)模結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性質(zhì)計算，解決了長久以來石墨到金剛石的相變路徑爭議，并制備出新型的石墨-金剛石復合材料Gradia，為碳材料家族新添了一名新成員。Gradia兼具石墨的導電性和金剛石的高硬度，同時也具有兩者都不具備的韌性，具有非常大的現(xiàn)實應(yīng)用潛力，最新成果于7月發(fā)表在國際權(quán)威雜志《Nature》。

從1955年美國通用電氣公司得到世界上第一批工業(yè)用人造金剛石小晶體開始，人們就不斷地通過各種各樣的方法，希望能夠?qū)⑹蚱渌疾牧限D(zhuǎn)為金剛石。但盡管已經(jīng)經(jīng)過了數(shù)十年的研究，石墨到金剛石的轉(zhuǎn)化路徑尤其是其中的諸多細節(jié)仍然存在著諸多謎團。

金剛石 VS 石墨

首次闡明靜高壓下石墨/金剛石相變機理

碳，作為元素周期表中最有趣的一種元素，因其外層s2p2的特殊電子排布，具有形成sp，sp2，sp3的特殊能力，因而具有豐富的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)多樣性。探索碳的異構(gòu)體及其相變路徑，一直以來都是材料科學的研究熱點之一。

近期，燕山大學趙智勝教授與南開大學董校副教授聯(lián)合研究團隊在靜高壓下部分相變的石墨樣品中首次截留并確定了石墨和金剛石之間的共格界面結(jié)構(gòu)，進而闡明了靜高壓下石墨/金剛石相變機理：石墨層通過局域的石墨層sp2-sp3相變過程，形成特定的石墨-金剛石共格結(jié)構(gòu)，進一步以其中的金剛石部分為種子，通過共格界面在石墨層中生長，進而完成石墨-金剛石的相變，這一過程中，因為石墨和金剛石的結(jié)構(gòu)基元組合存在穩(wěn)定性相近的不同組合，因此在納米尺度上具有豐富的結(jié)構(gòu)多樣性，而這種共格納米結(jié)構(gòu)的多樣性，進一步導致了金剛石相變區(qū)豐富的納米結(jié)構(gòu)，如層錯、孿晶、金剛石多型體等，為進一步設(shè)計石墨-金剛石納米結(jié)構(gòu)，提供了思路和可行方法。

觀測到的石墨-金剛石復合結(jié)構(gòu)

新型復合材料Gradia性能優(yōu)越

研究團隊將制備出的新型石墨-金剛石復合結(jié)構(gòu)命名為Gradia。它具有優(yōu)異的力學性能和電學特性：努氏硬度在51-115 GPa之間；室溫電阻率在8×10-4-4.9×105Ω·m之間可調(diào)；斷裂韌性很高，無法采用常規(guī)壓痕方法進行測量，說明Gradia通過界面結(jié)合，具備了石墨和金剛石都不具備的韌性。最為重要的是這些優(yōu)異的性能可以通過調(diào)控石墨-金剛石的不同大小、比例和不同類型的界面結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，是實現(xiàn)兼具導電、超硬、極韌等優(yōu)越性能，新一代可設(shè)計控制的高性能碳材料。該研究對新物質(zhì)探索，新材料研發(fā)和基礎(chǔ)物理化學規(guī)律的擴展等方面提供了重要的實現(xiàn)手段。

根據(jù)觀測得到的石墨-金剛石路徑及其勢壘

天河二號推動材料計算獲新突破

聯(lián)合團隊的最新研究成果以題為“Coherent interfaces govern direct transformation from graphite to diamond”于7月6日在國際著名期刊《Nature》上成功發(fā)表。燕山大學亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學國家重點實驗室的羅坤博士、劉兵博士、胡文濤博士和南開大學物理科學學院董校副教授為論文共同第一作者。

作為廣州超算材料設(shè)計領(lǐng)域的重點用戶，董校副教授深耕材料計算科學領(lǐng)域多年，關(guān)注新型能帶結(jié)構(gòu)和極端條件下出現(xiàn)的新的物理和化學現(xiàn)象，通過結(jié)構(gòu)預(yù)測，相變路徑預(yù)測和分子動力學等方法探究新型材料在極端條件下的行為。在本項研究中他主要負責相變路徑和勢壘預(yù)測及結(jié)構(gòu)的動力學穩(wěn)定性分析工作。該項工作對計算的需求非常高，包括大量的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性質(zhì)計算模擬。董校副教授介紹道，“天河二號”的高效并行計算系統(tǒng)大大縮短了模擬計算的時間，有力提升了團隊的研究效率，該項研究成果是依托“天河二號”及超算應(yīng)用平臺獲得的創(chuàng)新應(yīng)用的典型代表。

該項研究工作采用高壓合成技術(shù)，解決了長久以來石墨到金剛石的相變路徑之爭，制備出新型的石墨-金剛石復合材料Gradia兼具石墨的導電性和金剛石的高硬度，同時也具有韌性。作為碳材料家族的新成員，Gradia屬于新一代可設(shè)計控制的高性能碳材料，具有非常大的應(yīng)用空間，發(fā)展前景廣闊。未來，研究團隊將依托超算進一步探索和發(fā)現(xiàn)新型共價性超硬材料，并拓展其應(yīng)用范圍，為物理學和材料科學的發(fā)展做出新的貢獻。

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

審核編輯 ：李倩