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【導讀】

碳（C）具有許多同素異形體，其中最普遍的是石墨和金剛石（分別具有sp²和sp³雜化），而金剛石是鉆石的原身。在不同的合成條件下，可以從石墨轉變為金剛，通常條件是高壓、高溫（HPHT）、爆炸沖擊和劇烈剪切變形下的低溫壓縮。但是，了解石墨如何轉變為金剛石仍然面臨重大挑戰。六方石墨（hexagonal graphite, HG）在堆疊順序上經歷了幾種可能的變化，以轉化為立方金剛石（cubic diamond, CD）或六角金剛石（hexagonal diamond, HD），所有碳原子通過sp³雜化共價鍵合。（1）AB堆積可能會轉變為ABC堆積，然后集體起皺轉變為CD；（2）AB堆疊可以改為AA堆疊后褶皺轉換為HD；（3）AB堆疊隨后褶皺轉換為CD或屈曲轉換為HD。盡管目前提出了許多機制，但是石墨轉變為金剛石的過程仍然難以捉摸。其中，主要障礙是該過程發生在高溫高壓下，沒有原位信息，特別是在原子尺度上。在缺乏微觀信息的情況下，對XRD數據的解釋有時是不唯一的，從而導致不同的結論。高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）用于天然樣品和實驗室沖擊樣品，所提出的晶體結構產生類似于石墨和CD的衍射峰，但這種混合結構的起源及其與石墨到金剛石轉變的相關性仍不清楚。

【成果掠影】

在2022年7月6日，燕山大學趙智勝教授和田永君院士等人報道了他們使用最先進的掃描透射電子顯微鏡（STEM）研究了在靜態高溫高壓（HPHT）條件下處理的石墨產品。部分轉化的樣品的特征在于通過相干界面互鎖的石墨和金剛石納米域。石墨疇的層間距以約3.1 ?為中心，與具有許多堆垛層錯的金剛石疇緊密相連。原子分辨率高角度環形暗場（HAADF）STEM觀察揭示了構成石墨金剛石界面的四種基本結構圖案。第一性原理理論計算證實，與之前提出的其他路徑的轉換相比，通過這些相干界面的轉換在能量上更受青睞。石墨到金剛石的轉變受納米級相干界面（金剛石成核）的形成控制，在靜態壓縮下該界面會提前消耗剩余的石墨（金剛石生長），這與原子分辨的界面結構以及原位STEM觀察到的界面傳播一致。該工作不僅破解了自首次成功靜態合成鉆石以來長期存在的難題，而且揭示了其他碳材料和氮化硼在不同合成條件下的轉化機制。研究成果以題為“Coherent interfaces govern direct transformation from graphite to diamond”發布在國際著名期刊Nature上。

【數據概覽】

圖一、高溫高壓下石墨的XRD圖譜和相演化圖?2022 Springer Nature Limited

圖二、從15? GPa和1200 ?°C下恢復樣品的微觀結構?2022 Springer Nature Limited

圖三、石墨和金剛石之間的相干界面結構?2022 Springer Nature Limited

圖四、從石墨到金剛石的能量勢壘和轉化過程?2022 Springer Nature Limited

【成果啟示】

綜上所述，在靜態壓縮下從石墨轉變為金剛石發生在兩個階段：形成共晶格梯度界面（金剛石成核）和界面推進（金剛石生長）。本工作闡明的轉變機制可以作為理解氮化硼和其他碳相在高壓下的轉變的指導。此外，觀察到的Gradia標志著金剛石相關材料的納米結構和性能工程邁出了重要一步，并為追求理想的機械和電子性能組合提供了機會，例如同時超硬度、高韌性和導電性。

文獻鏈接：Coherent interfaces govern direct transformation from graphite to diamond. Nature, 2022, DOI: 10.1038/s41586-022-04863-2.

本文由CQR編譯。

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