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【导读】

碳（C）具有许多同素异形体，其中最普遍的是石墨和金刚石（分别具有sp²和sp³杂化），而金刚石是钻石的原身。在不同的合成条件下，可以从石墨转变为金刚，通常条件是高压、高温（HPHT）、爆炸冲击和剧烈剪切变形下的低温压缩。但是，了解石墨如何转变为金刚石仍然面临重大挑战。六方石墨（hexagonal graphite, HG）在堆叠顺序上经历了几种可能的变化，以转化为立方金刚石（cubic diamond, CD）或六角金刚石（hexagonal diamond, HD），所有碳原子通过sp³杂化共价键合。（1）AB堆积可能会转变为ABC堆积，然后集体起皱转变为CD；（2）AB堆叠可以改为AA堆叠后褶皱转换为HD；（3）AB堆叠随后褶皱转换为CD或屈曲转换为HD。尽管目前提出了许多机制，但是石墨转变为金刚石的过程仍然难以捉摸。其中，主要障碍是该过程发生在高温高压下，没有原位信息，特别是在原子尺度上。在缺乏微观信息的情况下，对XRD数据的解释有时是不唯一的，从而导致不同的结论。高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）用于天然样品和实验室冲击样品，所提出的晶体结构产生类似于石墨和CD的衍射峰，但这种混合结构的起源及其与石墨到金刚石转变的相关性仍不清楚。

【成果掠影】

在2022年7月6日，燕山大学赵智胜教授和田永君院士等人报道了他们使用最先进的扫描透射电子显微镜（STEM）研究了在静态高温高压（HPHT）条件下处理的石墨产品。部分转化的样品的特征在于通过相干界面互锁的石墨和金刚石纳米域。石墨畴的层间距以约3.1 Å为中心，与具有许多堆垛层错的金刚石畴紧密相连。原子分辨率高角度环形暗场（HAADF）STEM观察揭示了构成石墨金刚石界面的四种基本结构图案。第一性原理理论计算证实，与之前提出的其他路径的转换相比，通过这些相干界面的转换在能量上更受青睐。石墨到金刚石的转变受纳米级相干界面（金刚石成核）的形成控制，在静态压缩下该界面会提前消耗剩余的石墨（金刚石生长），这与原子分辨的界面结构以及原位STEM观察到的界面传播一致。该工作不仅破解了自首次成功静态合成钻石以来长期存在的难题，而且揭示了其他碳材料和氮化硼在不同合成条件下的转化机制。研究成果以题为“Coherent interfaces govern direct transformation from graphite to diamond”发布在国际著名期刊Nature上。

【数据概览】

图一、高温高压下石墨的XRD图谱和相演化图©2022 Springer Nature Limited

图二、从15  GPa和1200  °C下恢复样品的微观结构©2022 Springer Nature Limited

图三、石墨和金刚石之间的相干界面结构©2022 Springer Nature Limited

图四、从石墨到金刚石的能量势垒和转化过程©2022 Springer Nature Limited

【成果启示】

综上所述，在静态压缩下从石墨转变为金刚石发生在两个阶段：形成共晶格梯度界面（金刚石成核）和界面推进（金刚石生长）。本工作阐明的转变机制可以作为理解氮化硼和其他碳相在高压下的转变的指导。此外，观察到的Gradia标志着金刚石相关材料的纳米结构和性能工程迈出了重要一步，并为追求理想的机械和电子性能组合提供了机会，例如同时超硬度、高韧性和导电性。

文献链接：Coherent interfaces govern direct transformation from graphite to diamond. Nature, 2022, DOI: 10.1038/s41586-022-04863-2.

本文由CQR编译。