0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

新一代可设计控制的高性能碳材料

新材料在线 来源:国家超级计算广州中心 作者:国家超级计算广州 2022-08-05 14:54 次阅读

· 导 读 ·石墨和金刚石是两种完全不同的材料,石墨即铅笔芯的主要成分,质软、色黑、具有导电性。金刚石又被称为钻石,坚硬、剔透、不导电。这两种化合物的主要成分均为碳元素,在极端条件下可以相互转化。但其转化路径仍然存在着诸多谜团。 日前,燕山大学赵智胜教授团队与南开大学董校副教授团队合作,使用高压合成技术,依托“天河二号”完成了大规模结构优化和性质计算,解决了长久以来石墨到金刚石的相变路径争议,并制备出新型的石墨-金刚石复合材料Gradia,为碳材料家族新添了一名新成员。Gradia兼具石墨的导电性和金刚石的高硬度,同时也具有两者都不具备的韧性,具有非常大的现实应用潜力,最新成果于7月发表在国际权威杂志《Nature》。

c6d03964-1445-11ed-ba43-dac502259ad0.png

从1955年美国通用电气公司得到世界上第一批工业用人造金刚石小晶体开始,人们就不断地通过各种各样的方法,希望能够将石墨或其他碳材料转为金刚石。但尽管已经经过了数十年的研究,石墨到金刚石的转化路径尤其是其中的诸多细节仍然存在着诸多谜团。

c7156052-1445-11ed-ba43-dac502259ad0.jpg

金刚石 VS 石墨

c7266dfc-1445-11ed-ba43-dac502259ad0.png

首次阐明静高压下石墨/金刚石相变机理

c733b28c-1445-11ed-ba43-dac502259ad0.png

碳,作为元素周期表中最有趣的一种元素,因其外层s2p2的特殊电子排布,具有形成sp,sp2,sp3的特殊能力,因而具有丰富的结构和性质多样性。探索碳的异构体及其相变路径,一直以来都是材料科学的研究热点之一。

近期,燕山大学赵智胜教授与南开大学董校副教授联合研究团队在静高压下部分相变的石墨样品中首次截留并确定了石墨和金刚石之间的共格界面结构,进而阐明了静高压下石墨/金刚石相变机理:石墨层通过局域的石墨层sp2-sp3相变过程,形成特定的石墨-金刚石共格结构,进一步以其中的金刚石部分为种子,通过共格界面在石墨层中生长,进而完成石墨-金刚石的相变,这一过程中,因为石墨和金刚石的结构基元组合存在稳定性相近的不同组合,因此在纳米尺度上具有丰富的结构多样性,而这种共格纳米结构的多样性,进一步导致了金刚石相变区丰富的纳米结构,如层错、孪晶、金刚石多型体等,为进一步设计石墨-金刚石纳米结构,提供了思路和可行方法。

c73f5830-1445-11ed-ba43-dac502259ad0.png

观测到的石墨-金刚石复合结构

新型复合材料Gradia性能优越

研究团队将制备出的新型石墨-金刚石复合结构命名为Gradia。它具有优异的力学性能和电学特性:努氏硬度在51-115 GPa之间;室温电阻率在8×10-4-4.9×105Ω·m之间可调;断裂韧性很高,无法采用常规压痕方法进行测量,说明Gradia通过界面结合,具备了石墨和金刚石都不具备的韧性。最为重要的是这些优异的性能可以通过调控石墨-金刚石的不同大小、比例和不同类型的界面结构进行调整,是实现兼具导电、超硬、极韧等优越性能,新一代可设计控制的高性能碳材料。该研究对新物质探索,新材料研发和基础物理化学规律的扩展等方面提供了重要的实现手段。

c7aee92a-1445-11ed-ba43-dac502259ad0.png

根据观测得到的石墨-金刚石路径及其势垒

天河二号推动材料计算获新突破

联合团队的最新研究成果以题为“Coherent interfaces govern direct transformation from graphite to diamond”于7月6日在国际著名期刊《Nature》上成功发表。燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室的罗坤博士、刘兵博士、胡文涛博士和南开大学物理科学学院董校副教授为论文共同第一作者。

作为广州超算材料设计领域的重点用户,董校副教授深耕材料计算科学领域多年,关注新型能带结构和极端条件下出现的新的物理和化学现象,通过结构预测,相变路径预测和分子动力学等方法探究新型材料在极端条件下的行为。在本项研究中他主要负责相变路径和势垒预测及结构的动力学稳定性分析工作。该项工作对计算的需求非常高,包括大量的结构优化和性质计算模拟。董校副教授介绍道,“天河二号”的高效并行计算系统大大缩短了模拟计算的时间,有力提升了团队的研究效率,该项研究成果是依托“天河二号”及超算应用平台获得的创新应用的典型代表。

该项研究工作采用高压合成技术,解决了长久以来石墨到金刚石的相变路径之争,制备出新型的石墨-金刚石复合材料Gradia兼具石墨的导电性和金刚石的高硬度,同时也具有韧性。作为碳材料家族的新成员,Gradia属于新一代可设计控制的高性能碳材料,具有非常大的应用空间,发展前景广阔。未来,研究团队将依托超算进一步探索和发现新型共价性超硬材料,并拓展其应用范围,为物理学和材料科学的发展做出新的贡献。

论文原文地址: https://www.nature.com/articles/s41586-022-04863-2

审核编辑 :李倩

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 石墨
    +关注

    关注

    2

    文章

    111

    浏览量

    18525
  • 金刚石
    +关注

    关注

    1

    文章

    103

    浏览量

    9458

原文标题:Nature发表超算应用成果,碳材料家族喜添新成员!

文章出处:【微信号:xincailiaozaixian,微信公众号:新材料在线】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    安芯半导体推出新一代低成本高性能防复制加密芯片RJGT28E16

    随着各品牌厂家对知识产权(IP)和设备的附件配件的保护管理意识越来越高,安芯半导体推出基于SHA-3第三安全散列算法(Secure Hash Algorithm 3)的新一代低成本高性能防复制加密芯片RJGT28E16。
    的头像 发表于 12-24 13:44 100次阅读
    安芯半导体推出<b class='flag-5'>新一代</b>低成本<b class='flag-5'>高性能</b>防复制加密芯片RJGT28E16

    芯原推出新一代高性能Vitality架构GPU IP系列

    新一代Vitality GPU架构显著提升了计算性能,并支持多核扩展,以进步提升性能。该GPU架构集成了诸多先进功能,如个可配置的张量
    的头像 发表于 12-19 15:55 126次阅读

    芯华章推出新一代高性能FPGA原型验证系统

    华章科技,也在不断提升硬件验证的对应方案和产品能力。 HuaPro P3作为芯华章第三FPGA验证系统产品,采用最新一代可编程SoC芯片,结合自研的HPE Compiler工具链,可支持容量更大、速度更快、更多最新高速接口的用户芯片设计;同时,HuaPro P3的软硬件
    发表于 12-10 10:49 221次阅读
    芯华章推出<b class='flag-5'>新一代</b><b class='flag-5'>高性能</b>FPGA原型验证系统

    国产EDA公司芯华章科技推出新一代高性能FPGA原型验证系统

    作为国产EDA公司的芯华章科技,也在不断提升硬件验证的对应方案和产品能力。 HuaPro P3作为芯华章第三FPGA验证系统产品,采用最新一代可编程SoC芯片,结合自研的HPE Compiler工具链,可支持容量更大、速度更快、更多最新高速接口的用户芯片设计;同时,Hu
    发表于 12-10 09:17 149次阅读
    国产EDA公司芯华章科技推出<b class='flag-5'>新一代</b><b class='flag-5'>高性能</b>FPGA原型验证系统

    /复合材料的优点有哪些

    /复合材料是由碳纤维及其织物增强基体所形成的高性能复合材料。该
    的头像 发表于 11-11 10:19 235次阅读

    威兆半导体发布新一代高性能SiC MOSFET

    在近日举行的elexcon2024深圳国际电子展上,威兆半导体震撼发布了其全新一代高性能碳化硅(SiC)MOSFET——HCF2030MR70KH0,该产品以其卓越的性能和创新的设计,成为展会上
    的头像 发表于 09-03 15:40 504次阅读

    晖阳新能源开发出新一代固态电池负极材料

    在新能源汽车领域,续航焦虑直是消费者关注的焦点。近日,晖阳新能源宣布了项重大技术突破——成功研发出新一代固态电池负极材料,标志着公司在提升电动汽车续航能力方面迈出了坚实的
    的头像 发表于 07-18 15:21 763次阅读

    国民技术推出全新一代高性能MCU新品

    2024年7月8日,国民技术推出多款高能专用MCU产品。N32H482(通用控制)、N32H487(高性能互联)、N32GH473(电机控制)、N32H474(数字电源控制)四大系列
    的头像 发表于 07-10 10:32 1489次阅读
    国民技术推出全<b class='flag-5'>新一代</b><b class='flag-5'>高性能</b>MCU新品

    星科源新材料获超五千万融资,加速高性能锂电硅负极材料研发

    近日,杭州星科源新材料科技有限公司(以下简称“星科源”)在资本市场取得了重要突破,连续完成了种子轮和天使轮两轮融资,总融资金额超过五千万元人民币。这轮融资的成功,标志着星科源在高性能锂电硅
    的头像 发表于 06-24 18:22 1850次阅读

    导远科技最新一代MotionTrack系列MEMS芯片实现高集成、高性能

    2024年 6月,导远科技最新一代MotionTrack系列MEMS芯片GST80在德国斯图加特举办的2024欧洲ADAS和自动驾驶汽车技术博览会完成海外首秀。   指尖上的“魔术” 7x7mm实现
    的头像 发表于 06-12 16:54 972次阅读

    ABB推出新一代机器人控制平台OmniCore

    ABB近日发布了其新一代机器人控制平台——OmniCore,标志着机器人技术的大飞跃。这款全新的控制平台相较于ABB之前的IRC5控制器,
    的头像 发表于 06-06 09:19 712次阅读

    英飞凌携手ETAS提升新一代AURIX微控制器的安全性

    随着汽车行业迈向软件定义汽车及新型E/E架构,市场对高性能硬件与先进网络安全方案的需求日益凸显。为响应这趋势,全球半导体巨头英飞凌科技股份公司与汽车软件专家ETAS携手合作,共同研发新一代安全解决方案。
    的头像 发表于 05-15 10:04 386次阅读

    Silicon Labs推出其新一代高性能MCU蓝牙模组HCM511S

    Silicon Labs(亦称“芯科科技”)近期帮助合作伙伴移远通信(Quectel)在2024年德国嵌入式展(Embedded World 2024)期间,推出其新一代高性能MCU蓝牙模组HCM511S。
    的头像 发表于 04-19 11:10 819次阅读

    新一代高性能DC电源模块的发展趋势

    BOSHIDA   新一代高性能DC电源模块的发展趋势 随着电子设备的不断发展和需求的增加,对高性能DC电源模块的需求也越来越大。因此,新一代高性能
    的头像 发表于 02-23 13:32 420次阅读
    <b class='flag-5'>新一代</b><b class='flag-5'>高性能</b>DC电源模块的发展趋势

    总投资15亿元,芯智达电子MEMS高性能压力传感器项目、华新材项目落地安徽蚌埠

    据传感器专家网了解,近日安徽蚌埠市龙子湖区政府与安徽芯智达电子科技有限公司、深圳华新材料科技有限公司项目签约仪式举行。 龙子湖区人民政府发布消息显示,此次签约的芯智达电子科技MEMS高性能
    的头像 发表于 02-20 11:46 999次阅读
    总投资15亿元,芯智达电子MEMS<b class='flag-5'>高性能</b>压力传感器项目、<b class='flag-5'>碳</b>华新材项目落地安徽蚌埠