打破“摩擦只能石墨化”认知，中国科学院首次在摩擦条件下造出金刚石

IT之家 7 月 11 日消息，长期以来，在摩擦学领域存在一个普遍认知：碳材料在摩擦滑动过程中通常会发生石墨化相变，而金刚石的形成则被认为几乎不可能。传统观点认为，无论是机械运动还是生物摩擦界面，摩擦产生的瞬时高温会大幅提升碳原子迁移率，促使碳原子重排形成稳定的石墨结构。相比之下，金刚石的合成一直依赖高温高压等静态极端条件，学界普遍判定摩擦动态环境无法满足金刚石的成型要求。此前，全球范围内尚无摩擦诱导金刚石化的实验验证与研究报道。这一固有认知被中国科学院兰州化学物理研究所的研究团队打破。中国科学院兰州化学物理研究所兰州润滑材料与技术创新中心纳米润滑课题组采用二维限域空间约束方法，构建了二维夹层三明治结构策略，首次在摩擦滑动界面实现了金刚石的形成。研究团队的核心创新在于利用二维材料薄片在摩擦过程中易发生分层堆叠的特性，将非晶碳涂层磨损产生的碳磨屑捕获并包裹于二维材料层间，构建出一个类似“三明治”的二维夹层受限结构。这一结构发挥了三重核心作用：在能量约束方面，二维夹层有效抑制摩擦热量向外界耗散，使限域区间内的温度得以持久维持，为金刚石形成跨越能垒创造了条件；在运动约束方面，二维薄片在法向作为承压模板限制碳原子纵向位移，其“砌砖式”堆垛阻碍了面内原子迁移，促使被压缩碳源的密度趋近于金刚石，在局部构筑出超高压等效环境；在结构诱导方面，二维材料有序的晶格结构作为相变模板，引导碳原子规则重排，同时借助弱范德华作用有效抑制原子迁移带来的结构缺陷。这一二维限域环境将传统摩擦过程中“瞬时高温、高压、高碳迁移率”的石墨化主导环境，转变为具有“持续高温、局部超高压及低碳原子迁移特征”的动力学环境。▲ 初始接触压力 1.08GPa 下摩擦诱导形成金刚石在理论层面，团队通过反应分子动力学模拟探究了二维空间约束促成逆向转变的机制。模拟结果表明，二维限域空间可将非晶碳向金刚石转变的相变能垒降低约 30%，同时使结构弛豫速度提升约 2.0 倍。实验与理论相结合的方法验证了这一机制：在初始接触压力为 1.08 GPa 的摩擦条件下，利用范德华挤压和模板效应促成非晶碳磨屑致密化，实现摩擦界面金刚石形成，非晶碳向金刚石的转化率达到约 11.2%；当初始接触压力提升至 1.40 GPa 时，金刚石转化率进一步提高至约 38.5%。IT之家注意到，研究还发现二维夹层中的产物并非单一金刚石，而是由非晶碳、石墨烯、非晶金刚石、金刚石以及可能存在的新碳相共同组成的复合结构。其中，石墨烯与金刚石在空间上相互分离，表明二者均由非晶碳磨屑直接独立演化形成，而非经历石墨向金刚石的直接转变。▲ 初始接触压力 1.40 GPa 下摩擦诱导形成金刚石该论文第一作者为中国科学院兰州化学物理研究所副研究员王永富，通讯作者为兰州大学李瑞云研究员、瑞士巴塞尔大学 Ernst Meyer 教授和兰州化物所张俊彦研究员。研究工作得到国家重点研发计划、中国科学院未来伙伴专项和甘肃省重大专项等项目的支持。▲ 原子尺度理论模拟研究此次研究首次实现了摩擦诱导金刚石形成，不仅深化了人们对摩擦界面碳材料相变机制的理解，也为超润滑、超硬耐磨涂层以及新型金刚石材料的低能耗制备提供了新的技术路径。相关研究成果于 6 月 25 日发表在《先进材料》（Advanced Materials）上。IT之家附论文地址：https://doi.org/10.1002/adma.73531