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石墨+金刚石:新型的复合纳米材料——南开大学参研新型碳材料的合成
来源: 南开大学新闻网发稿时间:2022-08-04 17:31

  南开新闻网讯(通讯员 董校)碳,作为元素周期表中最有趣的一种元素,因其外层s2p2的特殊电子排布,具有形成sp,sp2,sp3的特殊能力,因而具有丰富的结构和性质多样性。探索碳的异构体及其相变路径,是一个的古老问题,但在今天仍然具有丰富的生命力和挑战性。

图1. 观测到的石墨-金刚石复合结构

  日前,燕山大学和南开大学等单位合作,使用高压合成技术,解决了长久以来石墨到金刚石的相变路径争议,并制备出新型的石墨-金刚石复合材料,这种新材料材料兼具石墨的导电性和金刚石的高硬度,同时也具有石墨和金刚石都不具备的韧性,为碳材料家族新添了一个新成员,工作发表在《自然》杂志上[Nature 607 486–491(2022)]。

  日常生活中,石墨和金刚石是两种完全不同的材料,石墨即铅笔芯的主要成分,具有导电性,质软,表现为黑色。金刚石,又被称为钻石,晶莹剔透,是最重要的一类珠宝。然而,这两种化合物的主要成分均为碳元素,其区别只在于碳元素的不同排列结构。两者间在极端条件下,可以相互转化。从1955年美国通用电气公司得到世界上第一批工业用人造金刚石小晶体开始,人们就不断地通过各种各样的方法,希望能够将石墨或其他碳材料转为金刚石。但尽管已经经过了数十年的研究,石墨到金刚石转化路径尤其是其中的诸多细节,在科学界仍然存在着诸多谜团。

  研究团队在静高压下部分相变的石墨样品中首次截留并确定了石墨和金刚石之间的共格界面结构,进而阐明了静高压下石墨/金刚石相变机理:石墨层通过局域的石墨层sp2-sp3相变过程,形成特定的石墨-金刚石共格结构,进一步以其中的金刚石部分为种子,通过共格界面在石墨层中生长,进而完成石墨-金刚石的相变,这种过程中,因为石墨和金刚石的结构基元组合存在稳定性相近的不同组合,因此在纳米尺度上具有丰富的结构多样性,而这种共格纳米结构的多样性,进一步导致了金刚石相变区丰富的纳米结构,如层错、孪晶、金刚石多型体等,为进一步设计石墨-金刚石纳米结构,提供了思路和可行方法。

图2.根据观测得到的石墨-金刚石路径及其势垒。

  观测得到的石墨-金刚石复合结构被命名为Gradia,具有优异的力学性能和电学特性:努氏硬度在51-115 GPa之间;室温电阻率在8×10-4-4.9×105Ω·m之间可调;断裂韧性很高,无法采用常规压痕方法进行测量,说明gradia通过界面结合,具备了石墨和金刚石都不具备的韧性。最为重要的是这些优异的性能可以通过调控石墨-金刚石的不同大小、比例和不同类型的界面结构进行调控,是实现兼具导电、超硬、极韧等优越性能,新一代可设计控制的高性能碳材料。

  该工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、河北省杰出青年科学基金等项目的资助。论文的共同第一作者为罗坤博士、刘兵博士、胡文涛博士和董校副教授,通讯作者为赵智胜教授。南开大学董校副教授为本文的共同第一作者,主要负责其中的相变路径和势垒预测及结构的动力学稳定性分析工作。

  论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-022-04863-2

编辑:付坤

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