物理所石墨碳的冷壓相變機制合作研究取得新成果

　　在壓力作用下，W碳可通過一層對三層的石墨碳層間的滑動、扭曲、重構形成

　　碳元素是自然界中分布最為廣泛的基礎元素之一，單質碳通常以石墨和金剛石兩種晶型存在。實驗發現，在高溫高壓（大于1300K，15GPa）下層狀石墨碳和碳納米管可形成金剛石結構；另一方面，在室溫高壓（大于14GPa）下，實驗發現石墨碳存在一個高壓相變，但是長期以來關于石墨碳的室溫高壓相變機制及其高壓相的晶體結構一直困擾著實驗和理論科學工作者。

　　近年來，通過理論計算研究，吉林大學和美國明尼蘇達大學的研究組先后提出了斜方M晶體結構和立方C4晶體結構，但是其形成的動力學機制依然不明。中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）王建濤研究員及其合作者美國內華達大學陳長風教授和日本東北大學金屬材料研究所川添教授，通過第一性原理計算系統地研究了層狀石墨碳的冷壓相變機制并發現了一種新的三維正交W碳晶體結構。

　　理論計算研究表明，這種新的三維正交W碳晶體結構具有Pnma對稱性，超硬、透明，當壓力大于12.32GPa時，可穩定存在。在壓力作用下W碳可通過一層對三層的石墨碳層間的滑動、扭曲、重構形成（如圖），但是當壓力解除時呈現可逆反應并恢復到石墨碳的層狀結構。這一發現完美地再現和解釋了石墨的冷壓實驗現象。詳細的壓力效應研究表明，壓力可顯著降低其相變的反應勢壘從而促進反應。但是與高溫高壓相變不同的是，冷壓條件下初始石墨碳層間的滑動模式及其最小反應熱焓路徑是形成W碳的關鍵因素。

　　這些結果全面地解釋了石墨碳的室溫高壓相變及其高壓相的形成機制，同時對理解石墨碳的高溫高壓相變機制、碳晶體結構及有關物性具有廣泛的科學意義。相關部分研究結果發表在1月18日出版的美國物理評論快報【PHYSICAL REVIEW LETTERS，106, 075501 (2011)】上。

　　該工作得到了國家自然科學基金委和中國科學院知識創新工程重要方向項目的支持。