JACS:中国科学家解决了将石墨转化为金刚石的问题

JACS:中国科学家解决了将石墨转化为金刚石的问题

祝平

2017年2月23日,《物理学家组织网络》报道,上海复旦大学和上海大学的研究人员解决了在超高压和高温条件下将石墨转化为金刚石的问题。将石墨转换为六角形金刚石。相关研究已于2017年2月6日发表在《美国化学学会杂志》上。有关详细信息,请参阅:谢耀平,张小杰,刘志潘。石墨到金刚石:动力学选择性的起源(单击以免费下载原始文本)。美国化学学会杂志,2017,139(7):2545–254 8.下图是在随机表面上行走的模拟,以解释为什么石墨在5-20 GPa的压力下会转变为六角形钻石而不是立方钻石。

金刚石,石墨

随机表面行走模拟可以解释为什么石墨在5-20吉帕的压力下变成六边形而不是立方的金刚石。图片来源:谢等。 ©2017美国化学学会

研究人员终于回答了困扰了多年科学家的这个问题:当受到中压和高压时,石墨为什么变成六角形金刚石(也称为长方岩),而不是如理论所预测的那样形成。更熟悉的立方钻石?

这个答案在很大程度上可以归因于速度问题,这是化学意义上的反应动力学问题。研究人员使用一种新型的模拟方法,确定了石墨转化为金刚石的最低能量途径亚博网页版 ,并发现石墨转化为六边形金刚石的速率比立方金刚石快40倍。即使一开始确实形成了一些立方菱形,它们也会被六角形菱形的大量形成所淹没。

复旦大学和上海大学的研究人员谢耀平(谢耀平,上海大学微结构重点实验室),张小杰(复旦大学化学系音译)和刘志攀,教授复旦大学化学系)于2017年2月6日出版的最新一期《美国化学学会杂志》(《美国化学学会杂志》)上合作展示了他们从石墨到金刚石转变的新模拟研究结果。刘志攀是本研究的通讯作者。

根据复旦大学的网站,刘志攀出生于1976年。2003年,他获得了英国贝尔法斯特女王大学理论化学博士学位。从2003年到2005年,他在英国剑桥大学化学系的表面化学小组进行了博士后研究。 2005年,他担任复旦大学教授和博士生导师。 2009年亚冠买球 ,他获得了国家自然科学杰出青年基金的资助。长江学者特聘教授,上海大学特聘教授(东方学者),国家杰出青年基金获得者。他已经完成并主持了许多科学研究项目,包括中国国家自然科学基金,上海浦江人才计划以及教育部为回国留学生设立的启动基金。研究方向包括基础表面化学亚博代理 ,金属表面催化,纳米氧化物和金属的催化机理,生物酶催化和第一理论(密度泛函理论)计算方法。

刘志攀告诉物理学家组织网络:“这项工作解决了一个长期未解决的问题,那就是为什么从石墨到钻石的转化将优先于六角形钻石的形成而不是立方钻石的形成。鉴于石墨向金刚石的转化,金刚石本身是一种固-固转化的方式,因此,本研究对理解高压固体物理学和高压固体化学将大有裨益。 “

石墨,六角形菱形和立方菱形都是碳的同素异形体,这意味着它由碳原子组成,但碳原子的排列不同。石墨由石墨烯的堆叠层组成,原子的晶格排列成蜂窝状。由于石墨烯中的碳原子未完全键合,因此石墨烯柔软且容易剥离,因此适合用作铅笔芯。另一方面,有两种由碳原子组成的钻石已达到最大键合度(碳原子最多可形成四个化学键)。钻石是碳原子的晶体。碳原子全部通过共价键结合。原子排列的基本规则是,每个碳原子被规则的四面体中分布的四个碳原子包围;这种结构可以看作是两套以面心为中心的立方Bravais。通过沿晶胞[晶体学]立方的对角线移动1/4距离来构造晶格。它也可以看作是许多(11 1)原子的密排结构。根据ABCABCABC···的定律,这些面沿[111]方向堆叠;每个晶胞包含8个原子,每个基元单元包含2个不等原子,这是一种复合晶格,因为碳原子的四个价电子用于形成化学键中的共价键,这就是为什么钻石如此坚硬的原因。通常在珠宝中容易找到立方钻石,并且所有的晶面都在同一方向上。在六边形菱形中,饰面层交替排列,使其具有六边形对称性。

在超过20 GPa(近200,000个大气压)的高压下,理论和实验都同意石墨将转变为方形金刚石,并混合一些六角形金刚石。但是在小于20 GPa的压力下金刚石,石墨,模拟结果与实验结果不同。模拟始终预测立方金刚石应该是最受欢迎的产品。这些模拟基于以下预测:在这些压力下,形成立方金刚石成核核心所需的能量小于形成六角形金刚石成核核心所需的能量。因为成核核心的形成是整个过程中最耗能的步骤,所以从热力学的角度来看金刚石,石墨,立方金刚石的形成比六角形金刚石的形成更为有利。

但是,这些模拟的主要缺点是它们不能解释石墨和金刚石核之间的界面:两个表面之间的晶格失配可能会产生应变能亚博直播软件 ,从而干扰金刚石的稳定生长。 Liu Zhipan等人的最新研究结果使用了一种称为随机表面行走的新模拟。在这项新研究中,刘志攀和其他人可以更彻底地探索石墨转化为金刚石的所有可能性。并确定对应于最低能量的7个中间结构。通常,研究结果表明,石墨与六角形金刚石核之间的界面不是那么紧密,并且比石墨与立方金刚石核之间的界面更稳定。如果我们以这些界面的稳定性为例,我们最终可以解释为什么在适当的压力条件下六角形菱形的形成比立方形菱形的形成更容易,更快。研究人员补充说,尽管对于普通人来说,立方钻石似乎比六角形钻石更受欢迎,但是立方钻石和六角形钻石都有自己的优势。

刘志攀说:“虽然每个人在日常生活中都熟悉立方钻石,但它也是一种非常有用的材料,六角形钻石也可以说是同样非常有用。例如,根据理论预测,六角形钻石的难度甚至比立方形钻石还要困难,尽管陨石中可以找到六角形钻石或隆斯达莱石,但实验中尚未实现大型六角形钻石晶体产品,因此人们会认为即使生产晶体,六角形大型钻石,它的价格肯定很高,而且肯定会比立方钻石贵。”

未来,研究人员计划通过神经网络的技术集成和大数据的使用来进一步改善仿真。有关更多信息,请访问原始文本或比珠宝商的钻石更坚硬,切入超固态材料的新钻石;

科学家解决了将石墨变成金刚石的难题

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