图3. (a) 结构优化至静水压20GPa时的石墨结构，晶格常数oa (ob)，oc分别为7.3 Å ，11.3 Å，层间距为2.82 Å。(b, c) 为石墨剪切应力加载模拟过程示意图。在模拟过程中，首先将晶胞oc边向x轴扭转θ角，随后垂直于z轴方向做ω角的扭转。图 (c) 中蓝色四边形为剪切操作后石墨晶胞的最上层。
图 4. (a-d)和(e-h)分别给出两种六方石墨结构在20GPa时经剪切操作后转变为金刚石的转变路径。(a) 和 (b) 显示石墨在经θ=44°, ω=90°的剪切操作后转变成对称性为(C2/m) 的“层状金刚石”结构; (c) 显示“层状金刚石”在卸压过程中晶格扭曲形成全sp3结构; (d) 卸至常压后转变成立方金刚石结构。(e) (f) 显示石墨在经θ=45°, ω=0°的剪切操作后转变成对称性为P-1的全sp3的碳结构; (g)为卸压过程中全sp3碳结构的照片; (h) 卸至常压后转变成立方金刚石结构。
对石墨进行剪切高压分子动力学模拟计算（图3）结果显示：石墨在静水压20GPa时，经不同剪切操作后，可以转变成多种具有P-1或C2/m对称性的“层状金刚石”或全sp3的亚稳碳结构，它们在卸压至常压的过程中又可转变为石墨或金刚石结构（图4）。该结果进一步支持了我们的实验，给出了石墨向金刚石转变的一个新机制。
图 5. 高压剪切的产生：上下磨盘挤压对磨盘间的材料产生压力，上磨盘旋转时产生剪切力。只要压力和剪切力足够大的“磨盘”就有可能实现金刚石的制备。最近德州理工大学马艳章教授及合作者就在低于1GPa的压力下利用剪切实现了石墨向金刚石的转变【Ma et al., Carbon, 2019, 146, 364-368】。
总结与展望：
通过可控的单轴高压实验，结合分子动力学模拟，研究团队研究了石墨在剪切高压下的结构转变。发现石墨在高压和剪切力的作用下转变成超强、亚稳的sp3高压碳结构，在卸压过程中，这些亚稳碳结构经过结构相变转变为金刚石或石墨结构。该结果首次给出了剪切诱导石墨向金刚石转变的微观机制，提出了一个金刚石形成的新机制，解决了长期以来室温高下压石墨向金刚石转变的科学难题。前人在高压，特别是非静水压条件下发现石墨等碳材料的结构转变中存在许多难以解释的现象，比如石墨在非静水压/高压剪切下形成高压相(非金刚石结构)，但卸压后却得到金刚石和石墨的混合相，就可以通过本机制进行理解。也许有一天，我们可以在室温下利用高压与剪切力实现宏观量的人造金刚石合成(图5.)。此外，前人在变质岩(如超镁铁质岩、苦橄岩，榴辉岩等）中也发现了金刚石，但该变质岩的成岩条件，并不满足金刚石形成的高温高压条件，而这就可能是变质过程中高压剪切的出现促进了金刚石的形成。
原文链接：https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.124.065701
课题组介绍：
吉林大学姚明光、刘冰冰教授研究团队长期从事高压下碳材料的研究，近年来在碳的高压结构相变、新型超硬碳材料等方面取得了系列重要进展，获得了可常压截获的全新sp3超硬碳(V碳)【Phys. Rev. Lett., 2017, 118, 245701】、系列非晶碳簇构筑的长程有序3D新结构【Adv. Mater., 2014, 26, 7257; Adv. Mater., 2015, 27, 3962,; Adv. Mater., 2018, 30, 1706916】、【Wang, Liu et al. Science, 2012, 337, 825~828】，发现了透明的超硬玻璃碳高压相【Appl. Phys. Lett., 2014, 104, 021916; Appl. Phys. Lett., 2017, 111, 101901】，并发展了相应的高压原位光谱研究新方法。
姚明光教授简介
吉林大学超硬材料国家重点实验室，物理学院教授、博士生导师。一直从事高压下碳材料的研究，在碳的高压结构相变、新型超硬碳材料等方面取得了系列重要进展。迄今在PRL、Adv Mater、PRB等科学杂志上发表SCI论文100余篇。部分成果获得了吉林省自然科学一等奖（排名2）、中国高压会议优秀青年论文奖等奖励。还获得省首批“春苗科研人才”、“霍英东青年教师基金”、“唐敖庆青年人才奖励基金”、“国家优秀青年基金”等奖励。*yaomg@jlu.edu.cn
刘冰冰教授简介
