曲阜师大研究团队在《自然·通讯》发表最新研究成果

近日，曲阜师范大学物理工程学院山东省极端条件量子材料重点实验室刘晓兵教授与吉林大学李全教授、浙江大学马琰铭院士合作，在石墨向金刚石相变的微观机制研究方面取得新进展。相关成果以“Scale-dependent pathways of the graphite-to-diamond transition”为题，于2026年11月3日在线发表于国际学术期刊《自然·通讯》。曲阜师范大学物理工程学院博士后赵波为论文共同第一作者，刘晓兵教授、李全教授和马琰铭院士为论文共同通讯作者。

石墨向金刚石的相变是凝聚态物理与材料科学中的经典问题，对理解天然金刚石成因、发展人工金刚石合成及性能调控技术意义重大。然而，石墨向金刚石转变的早期成核与后续生长机制长期存在争议：金刚石晶核形成时间极短，早期结构难以被实验直接观测；相变成核能垒高，常规分子动力学模拟难以在有限时长内完整复现演化全过程。

针对这一难题，研究团队选取多壁碳纳米管和高定向热解石墨作为两种互补的前驱体开展高温高压实验。多壁碳纳米管的径向限域效应可延缓晶核长大，便于保留早期成核结构；高定向热解石墨则具备充足的生长空间，适合观测晶核生长与晶界演化。团队在回收样品中成功观测到尺寸2–6 nm的金刚石晶核，且晶核晶面间距随尺寸增大逐步趋近体相金刚石，为早期成核过程提供了直接实验证据。

团队进一步结合元动力学增强采样与反应力场，在不预先设定金刚石晶核的条件下模拟石墨金刚石化成核过程。模拟结果表明，相变初期石墨片层发生局部翘曲，层间化学键不断生成、断裂；随后局部形成的层间sp³键相互连通形成网络，进而生成可继续生长的金刚石类晶核。

研究同时揭示了温度和空间尺度对金刚石晶核生长路径的调控作用：低温条件下层间生长占主导，晶核沿石墨堆垛方向增厚；温度升高后转为层内生长为主，相变沿石墨平面方向扩展。该尺度效应也能够解释过往不同研究模型得到相变路径不一致的原因。

这项工作融合增强采样模拟与高温高压实验，完整阐明了石墨向金刚石相变从层间成键扰动、晶核孕育形成，到晶体生长、晶界调整的微观演化链条，深化了人们对碳材料高压相变机理的认知，也为通过碳前驱体结构设计开发新型金刚石基功能材料提供了新思路。

（大众新闻记者 孟一 通讯员 李文振）