鉆石，即金剛石，是大家十分熟悉并喜愛(ài)的珠寶，但是從隕石中合成超級(jí)鉆石你能想象嗎?

吉林大學(xué)高壓與超硬材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、綜合極端條件高壓科學(xué)中心劉冰冰教授、姚明光教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中山大學(xué)朱升財(cái)教授等取得了重大突破，發(fā)現(xiàn)了高溫高壓下石墨經(jīng)由后石墨相形成六方金剛石的全新路徑，并“首次”合成出高質(zhì)量六方金剛石塊材，發(fā)現(xiàn)其具有高出立方金剛石的極高硬度和良好的熱穩(wěn)定性。該成果不僅提供了一種純相六方金剛石人工合成的有效途徑，給出了其獨(dú)立存在的有力證據(jù)，也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，為突破立方金剛石的應(yīng)用局限提供了可能。該成果對(duì)深入了解隕石中鉆石的具體來(lái)源和重大地質(zhì)事件也有著重要意義。

金剛石是集極高硬度、極耐磨、極高熱導(dǎo)率、極寬禁帶等優(yōu)異性能于一體的重要前沿戰(zhàn)略材料，被稱為“最鋒利的工業(yè)牙齒”和“國(guó)家戰(zhàn)略物資”，立方金剛石已經(jīng)在精密加工、資源開(kāi)采、信息通訊以及“深空、深地、深?！睒O端環(huán)境等國(guó)家重大需求領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。六方金剛石首次被發(fā)現(xiàn)是在美國(guó)亞利桑那州的魔谷隕石中(1967年)，這種罕見(jiàn)而珍貴的鉆石也因此被稱為“隕石鉆石”，普遍認(rèn)為是石墨在隕石撞擊地球形成的高溫高壓條件下轉(zhuǎn)變而成的，理論預(yù)測(cè)它比立方金剛石還堅(jiān)硬。但由于隕石快速?zèng)_擊時(shí)間短，六方鉆石形成的條件極為苛刻，只有納米大小，且與隕石共生，因此，六方鉆石能否獨(dú)立存在一直存在爭(zhēng)議，實(shí)現(xiàn)純相的人工合成極具挑戰(zhàn)。最大的難點(diǎn)是高溫高壓下六方金剛石的形成能壘高于立方金剛石，高溫高壓產(chǎn)物往往以立方金剛石為主，難以形成六方金剛石，因此，雖然經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的努力，純相六方金剛石的人工合成一直未能實(shí)現(xiàn)。

研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事超高壓下碳及相關(guān)材料的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)了多種常壓下難以得到的新結(jié)構(gòu)和新性質(zhì)。團(tuán)隊(duì)在前期研究剪切力對(duì)石墨高壓下結(jié)構(gòu)變化影響中，提出了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，這一結(jié)果啟發(fā)團(tuán)隊(duì)在探索六方金剛石的人工合成時(shí)，高壓相結(jié)構(gòu)很可能是關(guān)鍵?？紤]到隕石鉆石形成中，不僅有超高壓還有高溫條件，為此，團(tuán)隊(duì)巧妙設(shè)計(jì)了高溫高壓實(shí)驗(yàn)，首先利用激光加溫金剛石對(duì)頂砧技術(shù)原位研究了石墨在50GPa超高壓高溫下的結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)石墨在高壓力區(qū)間會(huì)形成“后石墨相”高壓結(jié)構(gòu)，再通過(guò)局部加熱成功獲得了六方金剛石。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步結(jié)合大尺度分子動(dòng)力學(xué)理論模擬，揭示出石墨層堆疊構(gòu)型對(duì)形成六方金剛石結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵作用，證實(shí)了石墨經(jīng)由后石墨相形成六方金剛石的全新路徑。

研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期自主研發(fā)大腔體超高壓實(shí)驗(yàn)技術(shù)，針對(duì)大腔體壓機(jī)腔體尺寸與壓力極限矛盾關(guān)系這一國(guó)際性難題，開(kāi)發(fā)了系列新型國(guó)產(chǎn)碳化鎢壓砧以及超高壓組裝體，在高溫下實(shí)現(xiàn)了40GPa超高壓，將原有的壓力極限提升60%，為高溫高壓材料宏量制備提供了技術(shù)支撐。針對(duì)六方金剛石塊體的高壓合成，在超高壓組裝體中巧妙地引入熱導(dǎo)率不同的高硬度材料，高壓下產(chǎn)生溫度梯度，模擬金剛石對(duì)頂砧原位實(shí)驗(yàn)中的高溫高壓條件，在30 GPa、1400 ℃的條件下，成功制備出毫米級(jí)高取向六方金剛石塊材。發(fā)現(xiàn)了六方金剛石具有出色的物理性質(zhì)，硬度高達(dá)155 ± 9GPa，超過(guò)天然金剛石的40%以上，真空環(huán)境下其熱穩(wěn)定性可以達(dá)到1100 ℃，優(yōu)于納米金剛石的900 ℃。

中國(guó)吉林網(wǎng) 吉刻APP

記者 殷維

圖片來(lái)源 吉林大學(xué)