Acta Physico-Chimica Sinica  2017, Vol. 33 Issue (3): 445-446   (752 KB)    
Graphite to Diamond: Kinetics Selectivity Leading to Hexagonal Diamond or Cubic Diamond
YANG Jin-Long   
School of Chemistry and Materials Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, P. R. China


六方金刚石 (hexagonal diamond,HD),又称蓝丝黛尔石 (Lonsdaleite) 是自然界中神秘的物质。六方金刚石在自然界非常稀少,科学界普遍认为自然界中的六方金刚石是流星上的石墨坠入地球时形成的。流星撞击地球会产生了巨大的热量与压强,从而导致石墨发生相变形成金刚石。第一次发现六方金刚石是在美国亚利桑那州的巴林杰陨石坑 (Barringer meteror crater) 中的魔谷陨石 (canyon diablo meteorite) 和印度阿萨姆邦的阿帕拉陨石 (Goalpara meteorite) 中1。六方金刚石在地质研究中有着重要的作用。例如,在距今1.3万年的冰川世纪 (Ice Age),又称为更新世 (Pleistocene),地球上发生大量的大型动物灭绝。许多学者认为,这与流星撞击地球有关,而目前科学家们判定是否有流星撞击事件的重要证据就是在相应的地质层中,是否可以找到六方金刚石2。相比于六方金刚石,立方金刚石 (cubic diamond,CD) 则经常出现在日常生活,通常被称为钻石。人类早就知道石墨和钻石是同素异构体,利用高温高压固态相变虽然可以将石墨转变成金刚石,但是一般需要巨大的压强和非常高的温度3, 4(见图 1a,相图);即使如此,得到的钻石颗粒度也极小。

图 1 (a) 温度-压力 (p-T) 碳相图 (G:石墨;D:金刚石)4。(b) 通过采用SSW方法在15 GPa下进行势能面搜索得到的5种亚稳的双相异质节,图中虚线为金刚石密排面,即HD (001),CD (111); gh2中界面与密排面垂直;橙色标记界面原子。(c) 三条最低反应路径的能量势能面图:它们分别经过gh1,gh2和gc1等界面结构,其中TS表示过渡态,MS表示亚稳态10

寻找石墨合成金刚石的最优合成条件是科学家过去60多年来不断努力的研究方向。早在1967年,在对石墨逐步增加压强时发现,能合成稳定存在的金刚石的起始压强大约为15 GPa,起始温度大约1000 ℃。然而,经过原子结构分析发现,在这种条件下合成的金刚石竟然不是常见的立方金刚石,而是与来自宇宙的六方金刚石有着同样的结构1, 3。因此,理解石墨到六方金刚石的反应机理,特别是从原子层次揭示其机理,不仅对合成钻石有着基础性的指导意义,而且对深入了解陨石中钻石的具体来源也有着重要意义。更为广泛的是,在高压物理中,在不同的压强中物质将表现成完全不一样的性质,深入理解石墨到金刚石的相变机理有普适的基础物理意义。尽管过去几十年来,人们采用了许多现代实验和理论方法对石墨到金刚石的相变进行了广泛研究,但是由于难于了解固体相变的原子级别反应路径,对于为何六方金刚石比起立方金刚石更加容易在固固相变中被合成的这一关键问题,一直没有答案。

2013年复旦大学刘智攀教授课题组开发了新一代势能面全局搜索方法,即随机势能面行走 (stochastic surface walking,SSW) 方法5, 6。SSW方法与常见结构搜索算法的区别在于,SSW方法能在高维度势能面上给定初始结构的周围系统地搜寻亚稳态,并能通过高通量计算搜索相变发生的最优反应路径。该方法已成功应用于TiO2、ZrO2和MnO2等体系的固态相变研究7-9。最近,他们采用SSW方法系统研究了石墨到金刚石的固体相变过程,通过寻找所有可能的异相结中间态,为石墨到金刚石的成核相变路径的研究打开了大门。研究确定了七种异相结的原子结构 (见图 1b),并发现石墨到六方金刚石的相变过程中会形成三维共格成核核心,而到立方金刚石的相变过程中必然伴随非共格界面的存在,这就导致了石墨到六方金刚石的相变动力学更为容易 (见图 1c)。同时,该研究还指出,相变过程中的应变力大小对相变势垒起到至关重要的影响。该研究工作最近发表在Journal of the American Chemical Society杂志上10。这一研究工作预测了石墨到金刚石固固相变的成核动力学,为人工合成金刚石提供了新的思路。

Reference
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(10) Xie Y. P.; Zhang X. J.; Liu Z. P. J Am. Chem. Soc. 2017