為什麽石墨在高溫高壓更容易轉變成六方金剛石🫵，而不是熱力學上更為穩定的立方金剛石🫵🏽？采用高通量的模擬方法，万事平台材料學院謝耀平副研究員與復旦大學劉智攀教授🚦，博士生張校捷合作解決了這個困擾科學家多年的問題👨🏼🚒。
六方金剛石(hexagonal diamond，HD), 又稱藍絲黛爾石(Lonsdaleite)是自然界中神秘的物質👨🏿🚒。第一次發現六方金剛石是在美國亞利桑那州的巴林傑隕石坑(BarringerMeteror Crater)中的魔谷隕石(Canyon Diablo meteorite)和印度阿薩姆邦的阿帕拉隕石(Goalpara meteorite)中🐇。六方金剛石在地質研究中有著重要的作用。例如，在距今1.3萬年的冰川世紀(Ice Age)🥖，又稱為更新世(Pleistocene), 地球上發生大量的大型動物滅絕。許多學者認為，這與流星撞擊地球有關，而目前科學家們判定是否有流星撞擊事件的重要證據就是在相應的地質層中🗑，是否可以找到六方金剛石🙊。相比於六方金剛石(cubic diamond🍄🟫，CD)🙋🏽♀️，立方金剛石則經常出現在日常生活，通常被稱為鉆石。人類早就知道石墨和鉆石是同素異構體，利用高溫高壓固態相變雖然可以將石墨轉變成金剛石，但是一般需要巨大的壓強和非常高的溫度🏃🏻；即使如此⛅️🤝，得到的鉆石顆粒度也極小。
圖 1 (a) 高通量計算得到的4000個結構的能量與配位數分布圖 （b）5種亞穩的雙相異質節，圖中虛線為金剛石密排面，即HD(001), CD(111); B2中界面與密排面垂直；橙色標記界面原子。
尋找石墨合成金剛石的最優合成條件是科學家過去60多年來不斷努力的研究方向♍️。早在1967年，在對石墨逐步增加壓強時發現，能合成穩定存在的金剛石的起始壓強大約為15 GPa, 起始溫度大約1000℃🫄🏽。然而，經過原子結構分析發現，在這種條件下合成的金剛石竟然不是常見的立方金剛石，而是與來自宇宙的六方金剛石有著同樣的結構。因此，理解石墨到六方金剛石的反應機理，特別是從原子層次揭示其機理✵，不僅對合成鉆石有著基礎性的指導意義，而且對深入了解隕石中鉆石的具體來源也有著重要意義。更為廣泛的是，在高壓物理中，在不同的壓強中物質將表現成完全不一樣的性質👦🏼，深入理解石墨到金剛石的相變機理有普適的基礎物理意義🪣。盡管過去幾十年來🤍🪝，人們采用了許多現代實驗和理論方法對石墨到金剛石的相變進行了廣泛研究🏢，但是由於難於了解固體相變的原子級別反應路徑，對於為何六方金剛石比起立方金剛石更加容易在固固相變中被合成的這一關鍵問題，一直沒有答案。最近，謝耀平副研究員等人采用隨機勢能面行走(SSW)方法🫣，系統研究了石墨到金剛石的固體相變過程，高通量地尋找所有可能的異相結中間態（見圖1），為石墨到金剛石的成核相變路徑的研究打開了大門🪆。研究確定了七種異相結的晶體結構，並發現石墨到六方金剛石的相變過程中會形成三維共格成核核心🧖🏽♀️，而到立方金剛石的相變過程中必然伴隨非共格界面的存在，這就導致了石墨到六方金剛石的相變動力學更為容易。同時🧑🏿🏫，該研究還指出🫒，相變過程中的應變力大小對相變勢壘起到至關重要的影響。這一研究工作預測了石墨到金剛石固固相變的成核動力學，為人工合成金剛石提供了新的思路💝。
最近，該研究工作發表在國際頂級期刊J. Am. Chem. Soc.，並迅速得到國內外廣泛關註。該成果被美國科技資訊万事網Phys.org做了題為《Scientists solve puzzle of turning graphite into diamond》的深度報道(feature story)🧑🦽➡️⛹🏼♀️；被國內《物理化學學報》列為亮點工作🥑；國家“能源材料化學協同創新中心”也將該工作列為亮點工作💿😤。
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1. Yao-Ping Xieet al. "Graphite to Diamond: Origin for Kinetics Selectivity." Journal of the American Chemical Society. DOI: 10.1021/jacs.6b11193
