近日，吉林大學(xué)高壓與超硬材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室傳來(lái)振奮人心的消息，該實(shí)驗(yàn)室的劉冰冰教授和姚明光教授團(tuán)隊(duì)攜手中山大學(xué)朱升財(cái)教授，在超硬材料研究領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展。他們的研究成果以“一種合成六方金剛石的新方法”為題，發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《自然·材料》上。
這項(xiàng)研究揭示了石墨在高溫高壓條件下，通過(guò)一種名為“后石墨相”的中間態(tài)，轉(zhuǎn)變?yōu)榱浇饎偸娜侣窂??？茖W(xué)家們不僅首次成功合成了高質(zhì)量的六方金剛石塊材，還發(fā)現(xiàn)其硬度遠(yuǎn)超普通立方金剛石，同時(shí)具備良好的熱穩(wěn)定性。這一發(fā)現(xiàn)不僅為人工合成六方金剛石提供了有效手段，還為超硬材料和新型碳材料家族增添了性能卓越的新成員。
金剛石，以其極高的硬度和獨(dú)特的物理性質(zhì)，被譽(yù)為“最鋒利的工業(yè)牙齒”，在精密加工、資源開采等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。然而，六方金剛石，這種在隕石中發(fā)現(xiàn)的珍稀鉆石形態(tài)，因其更為堅(jiān)硬的特質(zhì)而備受矚目。長(zhǎng)期以來(lái)，人工合成純相六方金剛石一直是科學(xué)家們難以攻克的難題。
六方金剛石首次被發(fā)現(xiàn)于1967年的美國(guó)亞利桑那州魔谷隕石中，因其罕見(jiàn)和珍貴而被稱為“隕石鉆石”。盡管科學(xué)家們普遍認(rèn)為六方鉆石是由石墨在隕石撞擊地球時(shí)形成的高溫高壓條件下轉(zhuǎn)變而成，但由于形成條件極為苛刻，且六方鉆石尺寸極小，與隕石共生，因此其能否獨(dú)立存在一直存在爭(zhēng)議。
吉林大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在超高壓下碳及相關(guān)材料的實(shí)驗(yàn)研究中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。他們通過(guò)巧妙設(shè)計(jì)高溫高壓實(shí)驗(yàn)，利用激光加溫金剛石對(duì)頂砧技術(shù)，原位研究了石墨在超高壓高溫下的結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。研究發(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。
為了進(jìn)一步驗(yàn)證這一發(fā)現(xiàn)，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)鍵作用。這一研究成果不僅證實(shí)了石墨經(jīng)由后石墨相形成六方金剛石的全新路徑，還為人工合成六方金剛石提供了理論支撐。
研究團(tuán)隊(duì)還自主研發(fā)了大腔體超高壓實(shí)驗(yàn)技術(shù)，成功在高溫下實(shí)現(xiàn)了40GPa的超高壓，將原有的壓力極限提升了60%。這一技術(shù)突破為高溫高壓材料宏量制備提供了有力支持。在30GPa、1400℃的條件下，他們成功制備出了毫米級(jí)高取向六方金剛石塊材。
