近日，马琰铭院士团队在石墨向金刚石相变的微观机制研究方面取得新进展。相关研究成果以“Scale-dependent pathways of the graphite-to-diamond transition”为题，于2026年11月3日在线发表在《自然·通讯》（Nature Communications）上。

石墨向金刚石的转变是凝聚态物理和材料科学中的经典相变问题，也是理解天然金刚石形成与发展人工金刚石合成技术的重要基础。尽管高温高压合成金刚石的技术已得到广泛应用，其早期成核与后续生长的原子过程仍存在争议。一方面，成核过程短暂，早期结构难以在实验中保留和识别；另一方面，相变涉及较高的成核能垒，常规分子动力学难以在可承受的模拟时间内完整呈现。因此，如何结合理论模拟与实验表征，揭示从石墨层间键合到金刚石晶核形成及生长的微观路径，是这一领域长期关注的问题。

针对上述问题，研究团队将元动力学增强采样与反应力场相结合，以碳原子的平均配位数为集合变量，在不预置晶核的条件下探索石墨向金刚石的成核路径（图1a）。模拟发现，成核前，石墨层发生局部翘曲，层间键反复形成和断裂。随后，局部形成的层间sp³键逐渐连成网络，形成能够继续生长的金刚石类晶核。晶核形成后，可沿石墨层面和堆垛方向扩展。

图1. 石墨向金刚石转变的三个阶段：扰动、成核与生长。（a）原子模拟中体系势能和碳原子平均配位数的变化，以及各阶段的代表性原子结构。（b、c）分别为多壁碳纳米管和高定向热解石墨前驱体的结构示意图，以及高温高压处理后回收样品中各转变阶段的代表性高分辨透射电镜图像。

研究团队选取多壁碳纳米管和高定向热解石墨作为前驱体，开展高温高压合成与高分辨透射电镜表征（图1b、c）。多壁碳纳米管的径向空间限制减缓了晶核长大，使早期结构更易在回收样品中保留。高定向热解石墨则为观察晶核生长与晶界调整提供了条件。研究团队在回收样品中识别出尺寸约为2–6纳米的金刚石晶核，并发现晶核的晶面间随尺寸增大逐渐接近体相金刚石的数值，为认识早期成核过程提供了结构证据。

研究进一步揭示了温度与空间尺度对生长路径的影响。在所研究条件下，较低温度时层间生长占优，晶核沿石墨层的堆垛方向增厚。升温后，层内生长占优，石墨层局部翘曲，转变沿层面扩展。石墨片层的面内空间受限时，层内生长受到抑制。片层较长而堆垛层数较少时，层间生长受到限制。这一尺度效应为解释不同模型得到的相变路径差异提供了依据。该研究结合增强采样模拟与高温高压实验，揭示了从石墨层间键合扰动到金刚石成核、生长及晶界调整的微观路径，为通过前驱体设计调控金刚石微观结构提供了知识储备。

论文共同第一作者为吉林大学物理学院博士研究生王迪和曲阜师范大学的赵波博士，通讯作者为曲阜师范大学刘晓兵教授、吉林大学李全教授及浙江大学马琰铭院士。该研究得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金、吉林省长白山实验室科技创新项目及吉林大学科技创新团队等项目支持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-79277-z