中國科學(xué)家成功合成百微米級(jí)六方金剛石，硬度超天然金剛石40%

經(jīng)過近十年持續(xù)攻關(guān)，北京高壓科學(xué)研究中心聯(lián)合中國科學(xué)院西安光機(jī)所的國際研究團(tuán)隊(duì)獲得重大突破。研究人員成功將高質(zhì)量石墨單晶前驅(qū)體轉(zhuǎn)化為百微米級(jí)六方金剛石，這一成果已于30日在國際權(quán)威期刊《自然》發(fā)表。

六方金剛石展現(xiàn)出與立方金剛石相媲美的力學(xué)性能。與僅具有單一碳-碳鍵長的立方金剛石不同，六方金剛石呈現(xiàn)出兩種不同的鍵長分布特征。據(jù)悉，其層間距顯著縮短，這種獨(dú)特的碳原子堆垛方式能夠有效克服立方金剛石密堆積面易滑移的固有弱點(diǎn)。

六方金剛石的合成一直是科學(xué)界的重大挑戰(zhàn)。早在1967年，美國科學(xué)家在隕石坑中*發(fā)現(xiàn)了這種珍稀的"超級(jí)鉆石"，因其六方晶體結(jié)構(gòu)而備受關(guān)注。然而，六方金剛石的形成條件極為苛刻，此前只能在納米尺度下與隕石共生存在。

研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了高溫高壓實(shí)驗(yàn)方案。利用激光加溫金剛石對(duì)頂砧技術(shù)，科學(xué)家原位研究了石墨在超高壓高溫條件下的結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)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)，隨后通過局部加熱成功獲得六方金剛石。

與此同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合大尺度分子動(dòng)力學(xué)理論模擬，揭示了石墨層堆疊構(gòu)型對(duì)形成六方金剛石結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵性作用。這一發(fā)現(xiàn)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，為超硬材料的制備開辟了新的技術(shù)方向。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，合成的六方金剛石硬度高達(dá)155GPa，超過天然金剛石40%以上。在真空環(huán)境下，其熱穩(wěn)定性可達(dá)1100℃，明顯優(yōu)于納米金剛石的900℃表現(xiàn)。這些優(yōu)異的物理性質(zhì)使六方金剛石在工業(yè)應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大潛力。

這一系統(tǒng)性研究終結(jié)了60多年來關(guān)于六方金剛石宏觀存在的學(xué)術(shù)爭議。研究成果不僅提供了六方金剛石獨(dú)立存在的有力證據(jù)，更為將其作為新一代高性能功能材料的開發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。該突破有望推動(dòng)超硬材料領(lǐng)域的技術(shù)革新，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入新的動(dòng)力。

相關(guān)新聞