Univerzita Yanshan urobila významný pokrok vo výskume fázového prechodu grafit/diamant

Nedávno Zhao Zhisheng a ďalší zo Štátneho kľúčového laboratória technológie a vedy prípravy metastabilných materiálov Univerzity Yanshan, akademik Tian Yongjun a ďalší spolupracovali s domácimi a zahraničnými vedcami na objasnení problému priameho fázového prechodu z grafitu na diamant pod statickým vysokým tlakom. , ktorý už viac ako polstoročie trápi vedeckú komunitu. , a objavil novú triedu hybridných uhlíkových materiálov s vynikajúcou kombináciou vlastností. Výsledky výskumu s názvom „Koherentné rozhrania riadia priamu transformáciu z grafitu na diamant“ boli zverejnené online v Nature 6. júla 2022.

 

Odkaz na papier: https://www.nature.com/articles/s41586-022-04863-2.

 

Grafit a diamant sú najbežnejšie uhlíkové materiály v prírode. Priama transformácia z grafitu na diamant sa zvyčajne uskutočňuje v "čiernej skrinke" pri vysokej teplote a vysokom tlaku a mechanizmus fázovej transformácie bol veľmi diskutovaný. Výskumný tím Yanshan University prvýkrát pozoroval a určil koherentnú štruktúru rozhrania medzi grafitom a diamantom vo vzorke grafitu, ktorá prechádza čiastočným fázovým prechodom pri statickom vysokom tlaku, a potom objasnil mechanizmus fázového prechodu grafit/diamant pod statickým vysokým tlakom: grafitová vrstva prechádza cez dva druhy diamantu Štrukturálny prvok a dva pravouhlé konštrukčné prvky sú lokálne spojené tak, aby vytvorili koherentné rozhranie a prechod z grafitu na diamant sa realizuje prostredníctvom posunu koherentného rozhrania do oblasti grafitu. Rôzne kombinácie štruktúrnych prvkov tvoria rôzne koherentné štruktúry rozhrania, čo vedie k tvorbe početných subštruktúr (zlomy v stohovaní, dvojčatá, diamantové polymorfy atď.) v oblasti diamantového fázového prechodu. Tento nový mechanizmus prechodu tuhá/tuhá fáza sa líši od klasického nukleačného rastu a kooperatívneho šmykového mechanizmu a môže byť použiteľný pre procesy prechodu tuhá látka-tuhá fáza iných kovalentných materiálov, ako sú jednoduché látky IVA, zlúčeniny IIIA-VA atď.

 

Výskumný tím nazval tento typ hybridného uhlíkového materiálu s koherentným rozhraním grafit/diamant Gradia. Gradia má vynikajúcu kombináciu mechanických vlastností a elektrických vlastností: Tvrdosť podľa Knoopa je nastaviteľná medzi 51-115GPa; odpor izbovej teploty je nastaviteľný medzi 8´10-4-4.9´105Ω m; lomová húževnatosť je veľmi vysoká a nedá sa Merania sa uskutočnili pomocou konvenčnej indentačnej metódy. Gradia kombinuje výkonnostné výhody grafitu a diamantu a jeho výkon je možné ďalej upravovať zmenou pomeru grafitu a diamantu. Je to nová generácia vysokovýkonného uhlíkového materiálu, ktorý realizuje kombináciu elektrickej vodivosti/supertvrdosti, extrémnej húževnatosti/ultratvrdosti a ďalších vynikajúcich vlastností.

 

Mechanizmus priameho fázového prechodu grafit/diamant odhalený výskumom obohacuje typy prechodu tuhá/pevná fáza a objavené nové hybridné uhlíkové materiály poskytujú inšpiráciu pre vývoj nových vysokovýkonných materiálov. Výsledky výskumu požiadali o patenty na vynálezy v Číne, Spojených štátoch, Japonsku a Európe. Predchádzajúca teoretická práca predpovedajúca, že tento typ hybridnej štruktúry môže stabilne existovať, bola publikovaná v Chin. Phys. Lett. 38, 028102 (2021); Brada. Phys. Lett. 39, 036301 (2022); Mater. Dnes Phys. 23, 100630 (2022).

 

Túto prácu podporila Národná nadácia pre prírodné vedy v Číne (52090020, 91963203, 51772260, U20A20238 atď.), Národný kľúčový výskumný a vývojový program (2018YFA0703400, 2018YFA0305900) a nadácia 3018YFA0305900 Youstanding pro vedu 2018 Youth Hebei000 . Spolu prvými autormi článku sú Luo Kun, Liu Bing, Hu Wentao a Dong Xiao a zodpovedajúcim autorom je profesor Zhao Zhisheng.