超硬材料网

       俗话说：“没有金刚钻，不揽瓷器活”。这里说的金刚钻是我们常说的钻石，也叫金刚石，它不仅象征着永恒的爱情，更是世界上已知最硬的材料，在切削打磨、精密加工、航空航天、半导体等诸多领域发挥着不可替代的作用。钻石最早发现于矿物中，以及后来通过人造钻石技术工业化生产，而这些形成过程一般都要求高温高压条件。目前主要有两种机制用于解释高温高压下金刚石的形成，即协调机制和成核机制。然而，这两种机制却很难解释室温高压下金刚石的形成。其实早在1992年，法国科学家就曾发现，室温高压处理碳材料也能制备出金刚石。后来研究进一步发现，在高压下，特别是非静水压中出现较大剪切应力时，室温就可以合成出金刚石，然而非静水压条件通常难以控制/定量分析，理论上也很难进行模拟，因此，室温高压金刚石的形成过程与形成机理是困扰学术界的科学难题，成为近三十年来的未解之谜。

       最近，吉林大学姚明光、刘冰冰教授研究团队通过在金刚石对顶压机中引入单轴应力，利用自行设计的实验组装，实现了高压下对石墨加载可控的单轴力，进而产生剪切效应。发现石墨在这种高压剪切的作用下可以转变为超强sp3态（在压腔压力为52GPa时，强度可高达150GPa），而卸压后转化为金刚石和石墨的混合物。这种新奇的石墨-金刚石转变过程可能对应着一种新的金刚石形成机制。进一步利用分子动力学模拟，通过建立模型模拟了石墨在剪切高压的转变，发现石墨在高压下，根据施加的剪切程度不同，会转变成多种“层状金刚石”或全sp3的亚稳碳结构，而令人意外的是，在卸压过程中这些碳结构又可转变为金刚石或者石墨结构，与实验结果相吻合，为室温高压剪切下金刚石的形成提供了一个新的图像。该结果首次给出了剪切诱导石墨向金刚石转变的微观机制，提出了一个金刚石形成的新机制。正如审稿人在评论中所述：“这是一个非常有趣的工作对于物理、材料化学以及矿物学领域研究具有重要意义，解决了长期以来室温高压下金刚石和类金刚石相形成的科学难题，研究中可控的剪切应力实验设计和理论计算获得了令人印象深刻的成功”。