石墨变钻石不易，石墨烯呢？

小学生恐怕都知道石墨和钻石本质上都是碳，如果都点着燃烧，都一样会生成二氧化碳（点击阅读相关）。不过伴着类似“钻石恒久远，一颗永流传”这样脍炙人口的广告，珠宝商还是从人们口袋里掏出了大把钞票。在亮闪闪的钻石戒指面前，就算是化学专业的学霸级女生，也不会想起把钻石和石墨划上等号。估计很多人都想过，如果有一种简单的方法把石墨变成钻石就好了。实际上，有很多人真的尝试过人工合成钻石，目前常见的是高温高压法和化学气相沉积法。不过，无论是产品成本还是质量，人工合成钻石与珠宝级天然钻石相比毫无优势，更别提以此一夜暴富了。

石墨变钻石不易。最近，美国纽约城市大学（CUNY）的Elisa Riedo和Angelo Bongiorno等研究者发现，室温下石墨烯（graphene）在压力下可变成刚度和硬度堪比钻石的“钻石烯（diamene）”。^[1] 使用纳米压痕技术，生长在SiC（0001）上的双层石墨烯薄膜（每层厚度均为一个原子）可以临时转变为类钻石薄膜，刚度和硬度与钻石相当。有意思的是，这种不寻常的转变只发生在双层石墨烯上，其他无论是单层石墨烯还是超过两层的多层石墨烯，都没有这种变化。该工作发表在Nature Nanotechnology 杂志上，共同第一作者是Yang Gao和Tengfei Cao。

双层石墨烯受压变“钻石烯”。图片来源：City University of New York

从传统的钻石和石墨，到活性炭、碳纤维和中间相碳微球，再到近年来的新锐富勒烯、碳纳米管和石墨烯，碳家族可谓是日益壮大。由于每种材料结构不同，因而表现出各种特殊的性质，比如钻石以硬度著称，而石墨烯却以柔性擅长。那么平时柔韧而轻盈的石墨烯，在受到冲击时是如何变得坚不可摧的？

碳材料家族新锐。图片来源：Nat. Mater.^[2]

在此之前，就有研究者探究过如何将石墨烯转换为类钻石材料^[3]。Elisa Riedo领导的小组一直从事二维材料机械性能的研究，2015年曾在Nature Materials 杂志上发表了关于石墨烯插层及其弹性性能的研究 ^[4]。最近的研究中，他们在SiC（0001）上生长石墨烯薄膜，并通过亚埃分辨率调制纳米压痕（modulated nano-indentation，MoNI）^[5] 原子力显微镜（AFM）实验以及密度泛函理论（DFT）计算等方法来研究SiC上石墨烯膜的力学性能。在室温条件下通过AFM探针对SiC上不同层数的石墨烯膜进行纳米压痕实验时，他们发现了一个奇怪的现象：双层石墨烯膜在受压时表现出了极高的刚度（>400 GPa）和硬度，即使用钻石压头在30 µN的最大负载下也不能穿透双层石墨烯膜。

覆盖石墨烯的SiC的TEM图像及硬度测试。图片来源：Nat. Nanotech.

更有趣的是，这一现象只发生在双层石墨烯膜上，在单层或多层（层数超过两层）石墨烯膜中没有发现。SiC上超过五层的石墨烯膜，弹性模量在30 GPa左右，而且钻石压头在30 µN的最大负载下可以轻易在其上穿孔。除了力学性能的变化，双层石墨烯受压的转变过程中还伴随导电性的可逆下降，这表明钻石烯可能具有独特的电子性质和自旋电子性质。

研究者通过密度泛函理论计算认为，在压力的冲击下，两层石墨烯膜转变成了类钻石膜，产生了弹性形变和sp²到sp³结构变化。而且，两层石墨烯中的层叠构型控制类钻石薄膜的相转变，而超过两层的多层石墨烯中的层叠构型却会阻碍这种转变，因此无法观察到力学性能的突然提升。

DFT计算。图片来源：Nat. Nanotech.

该研究为室温下低维系统中的石墨-钻石相变开辟了新的途径，也是固-固相变研究的新进展。Riedo教授说：“这是迄今为止创造出来的最薄、但刚度和硬度都如钻石一般的薄膜。”因此，研究者认为双层石墨烯可能应用于耐磨保护涂层和超轻防弹薄膜的开发，前途一片光明。未来的工作中，研究者希望探索能稳定这种相变的方法，并进一步考察钻石烯的性质和应用。^[1]

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Ultrahard carbon film from epitaxial two-layer graphene

Nat. Nanotech., 2017, DOI: 10.1038/s41565-017-0023-9

参考文献

1. Scientists Discover Process for Transitioning Two-Layer Graphene into a Diamond-Hard Material on Impact. http://www.asrc.cuny.edu/2017/12/18/diamene-study/

2. A. K. Geim, K. S. Novoselov. The rise of graphene. Nat. Mater., 2007, 6(3): 183

3. Gorrini F, Cazzanelli M, Bazzanella N, et al. On the thermodynamic path enabling a room-temperature, laser-assisted graphite to nanodiamond transformation. Sci. Rep., 2016, 6: 35244

4. Gao Y, Kim S, Zhou S, et al. Elastic coupling between layers in two-dimensional materials. Nature Materials, 2015, 14(7): 714

5. Gao Y, Kim S, Zhou S, et al. Modulated Nanoindentation (MoNI) -- a novel characterization tool of two-dimensional materials and nanotubes. APS Meeting, 2016.

（本文由小希供稿）