近日，兰州化物所纳米润滑课题组利用二维限域空间约束方法，构建二维夹层三明治结构的策略，借助其能量约束、运动约束与结构诱导效应来激活摩擦界面金刚石化的相变，攻克金刚石在摩擦条件下难以形成这一瓶颈，在摩擦滑动界面实现了金刚石的形成。相关研究成果发表在《先进材料》上。
图1.整体思路图
在机械与生物运动界面，碳通常发生摩擦诱导的石墨化，金刚石化一般难以发生。研究人员利用二维材料薄片的摩擦诱导分层堆叠特性，将非晶碳涂层产生的磨屑捕获并包裹于层间，构建二维夹层三明治结构。
该结构具有三重作用：一是能量约束，抑制摩擦能量向开放空间耗散，使限域区间内温度提升并持久维持，为跨越金刚石化转变能垒创造条件；二是运动约束，二维薄片在法向作为承压模板限制碳原子纵向位移，“砌砖式”堆垛阻碍面内原子迁移，促使被压缩碳源密度趋近金刚石；三是结构诱导，二维薄片以有序表面对非晶碳实现模板诱导，借助弱范德华作用抑制碳原子迁移，减少结构缺陷。
图2.初始接触压力1.08GPa下摩擦诱导形成金刚石
二维限域空间将传统摩擦过程中瞬时高温、高压、高碳迁移率的石墨化主导环境，转变为具有持续高温、局部超高压及低碳原子迁移特征的动力学环境，创造出有利于金刚石化的条件。反应分子动力学模拟表明，二维限域空间可降低相变能垒约30%，加快结构弛豫动力学约2.0倍。
图3.初始接触压力1.40 GPa下摩擦诱导形成金刚石
实验结果显示，在初始接触压力为1.08吉帕斯卡的摩擦条件下，利用范德华挤压和模板效应，促成非晶碳磨屑致密化，降低转化能垒，实现摩擦界面金刚石形成。二维夹层中摩擦诱导形成的碳相是非晶碳、石墨烯、非晶金刚石、金刚石等多种形态共存的复合体。石墨烯与金刚石在空间上相互分离，二者均直接源自非晶碳磨屑的独立演化。金刚石呈颗粒形态，非晶碳向金刚石转化率约为11.2%。当初始接触压力提升至1.40吉帕斯卡时，转化率约为38.5%。
图4.原子尺度理论模拟研究
相关研究成果以“Diamond Formation at Superlubric Sliding Interface”为题发表在Advanced Materials (2026, 5469902)上。兰州化物所王永富副研究员为论文第一作者，兰州大学李瑞云研究员、瑞士巴塞尔大学Ernst Meyer教授和兰州化物所张俊彦研究员为通讯作者。
来源：兰州化学物理研究所、甘肃省科学技术协会
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