中國粉體網(wǎng)訊 近日，北京高壓科學(xué)研究中心與中國科學(xué)院西安光機所科學(xué)家?guī)ьI(lǐng)的國際研究團隊成功將高質(zhì)量石墨單晶前驅(qū)體轉(zhuǎn)化為百微米級、高度有序的六方金剛石，相關(guān)研究以“Synthesis of bulk hexagonal diamond”為題發(fā)表在《Nature》。
金剛石具有無與倫比的硬度、卓越的熱傳導(dǎo)性以及優(yōu)異的光學(xué)特性，這些卓越性能源于其獨特的晶體結(jié)構(gòu)：由sp3雜化碳原子構(gòu)成的完美四面體配位網(wǎng)絡(luò)，這種結(jié)構(gòu)雖然堅硬又耐磨，但也存在弱點：某些平面一旦受力，就容易錯位滑移，限制其強度，而六方金剛石規(guī)避了這種問題。
六方金剛石是一種與立方金剛石結(jié)構(gòu)相似但性能更為優(yōu)異的同素異形體。但六方金剛石的形成條件極為苛刻，人工合成的最大難點是高溫高壓下六方金剛石的形成能量高于立方金剛石，因此高溫高壓產(chǎn)物通常以立方金剛石為主，難以得到六方金剛石。
我國科學(xué)家們創(chuàng)新性地提出了一種由石墨到六方金剛石轉(zhuǎn)變的方法。通過采用金剛石對頂砧（DAC）技術(shù)，在可控高溫高壓（準(zhǔn)靜水壓條件）下，成功將高質(zhì)量石墨單晶前驅(qū)體轉(zhuǎn)化為百微米級、高度有序的六方金剛石。團隊借助原位單晶X射線衍射技術(shù)，首次精確揭示了石墨-六方金剛石相變過程中的晶體學(xué)取向關(guān)系，系統(tǒng)闡明了其相變機制，并確認(rèn)了合成樣品特有的三重孿晶結(jié)構(gòu)。為實現(xiàn)六方金剛石力學(xué)性能的準(zhǔn)確表征，團隊進一步開發(fā)了大腔體壓機合成工藝。通過優(yōu)化固體傳壓介質(zhì)組合，有效抑制了差應(yīng)力效應(yīng)，最終在20GPa/2073K的極限條件下，成功制備出毫米級六方金剛石塊體樣品。
高溫高壓合成的塊體六方金剛石（左上：DAC中合成，左下：大腔體壓機中合成）和六方及立方金剛石結(jié)構(gòu)示意圖，圖源：北京高壓科學(xué)研究中心官微
該研究創(chuàng)新性包括：
1.通過原位單晶X射線衍射技術(shù)，首次在原子尺度揭示了石墨向六方金剛石轉(zhuǎn)變的晶體學(xué)路徑，明確了其相變機制。
2.綜合運用高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）、X射線拉曼光譜、電子能量損失譜（EELS）及紫外拉曼光譜等多尺度表征手段，確證了六方金剛石的sp3雜化特性，證實其與立方金剛石具有相同的化學(xué)鍵合方式，但鍵長呈現(xiàn)出雙鍵長特征。
3.維氏硬度測試表明，六方金剛石展現(xiàn)出與立方金剛石相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能，為其在超硬材料領(lǐng)域的應(yīng)用提供了直接證據(jù)。
六方金剛石表征
這一系統(tǒng)性研究不僅終結(jié)了60多年關(guān)于六方金剛石宏觀存在的爭議，也為接下來將六方金剛石作為新一代高性能功能材料的開發(fā)奠定了堅實基礎(chǔ)。
參考來源：北京高壓科學(xué)研究中心、材料科學(xué)與工程公眾號、nature
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/石語）
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