Nature子刊：石墨变金刚石重要发现！

石墨在高温高压下转变为金刚石，是教科书级的经典相变，也是理解天然金刚石成因与发展人工合成技术的共同基础。但这一转变的早期原子过程，数十年来始终存在争议。

争议不断主要是有两个原因。其一，成核时间极短，早期结构难以在实验中保留和识别；其二，相变成核能垒高，常规分子动力学模拟在可承受的计算时间内无法完整呈现。因此，现有模拟研究往往预先植入金刚石晶核或人为引入缺陷，恰恰绕过了最关键的自发成核环节。

【DT半导体】近日，吉林大学、曲阜师范大学与浙江大学合作团队在 Nature Communications 发表研究，题为“Scale-dependent pathways of the graphite-to-diamond transition”。该实验将元动力学增强采样模拟与高温高压实验相结合，完整解析了从结构扰动、晶核形成到晶体生长、晶界调整的全过程。论文共同第一作者为吉林大学博士生王迪与曲阜师范大学赵波博士，通讯作者为刘晓兵教授、李全教授与马琰铭院士。

晶核出现之前：层间键的反复波动

模拟要解决的首要问题，是如何让"稀有事件"在计算中发生。团队采用温调元动力学（WTMetaD）结合反应力场（ReaxFF）：前者通过施加偏置势加速稀有事件的采样，后者允许化学键在模拟过程中动态生成与断裂。

方法的关键在于集合变量的选取。团队以碳原子的平均配位数作为集合变量——它只统计每个碳原子的近邻数目，不预设产物是立方金刚石还是六方金刚石。体系因此能够自发寻找转变路径，而非沿人为设定的方向演化。

模拟结果显示，相变的第一步并不是金刚石晶核的直接出现。石墨片层先发生局部翘曲，相邻层的碳原子被拉近，层间形成瞬态 sp³ 键；这些键反复生成又断裂，处于动态平衡。

随着波动持续累积，局部形成的层间 sp³ 键逐渐连通成网络，堆垛序列随之调整，最终固化为可继续生长的金刚石类晶核。换言之，持久晶核是层间键波动的结果，而非起点。

性能数据：把反应“冻”住，抓个正着

为了在实验里看到这个转瞬即逝的过程，作者选了两个非常巧妙的前驱体。一个是多壁碳纳米管，它的管状结构像“紧箍咒”，限制了径向的大范围变形，把早期结构“冻”住，方便看早期成核；另一个是高定向热解石墨（HOPG），空间广阔，适合观察后期的生长和晶界调整。实验结果很给力，电镜真的抓到了嵌在无序碳基质里、尺寸在 2 到 6 纳米之间的金刚石晶核。而且，这些小于 4 纳米的核，晶格有明显的膨胀应变，直到尺寸变大才慢慢弛豫到体相金刚石的参数。这正好对应了临界晶核的大小。

尺度依赖：此前争议的由来

这项工作同时解释了不同研究结论为何互相矛盾。转变路径依赖于前驱体的空间尺度：石墨片层面内受限时，层内生长被抑制，体系表现为层间主导；片层较长而堆垛层数较少时，层间扩展受限，层内路径更为突出。

换言之，模型或前驱体在某一方向上的尺寸，决定了哪种生长模式有足够空间展开。以往研究各自处于不同的尺度窗口，得到的路径自然不同。这一尺度效应为调和长期存在的理论争议提供了依据。

其实际意义在于前驱体设计：通过选择前驱体的几何维度与限域条件，可以调控成核与生长路径，进而定向设计金刚石的微观结构。需要说明的是，本研究提供的是机制

认识与设计框架，并不直接意味着低压或低能耗合成工艺的突破。

从“石墨如何变成金刚石”到“晶核诞生之前发生了什么”，这项工作补上的是最初几纳米的空白：晶核是层间键波动累积的结果，而晶核最终长成什么样，取决于它有多少生长空间。