AI4S再立新功！南京大學團隊與合作者在《自然》發表最新成果

近日，南京大學物理學院孫建教授帶領的理論團隊與鄭州大學單崇新教授帶領的實驗團隊密切配合，在六方金剛石的形成機制以及其原子尺度晶體結構特征的研究上取得關鍵突破。單崇新團隊成功合成出毫米級純相塊體六方金剛石樣品，精確解析了其晶體結構，提出了石墨層間鍵合抑制滑移的轉化機制假設。孫建團隊用機器學習驅動的分子動力學模擬方法證實并揭示了該微觀相變機制。相關合作成果以“Bulk hexagonal diamond”為題，于3月4日在線發表于國際學術期刊《自然》。

六方金剛石：

一個長期未解的結構之謎

金剛石由于其優異的性質成為重要的戰略材料。除常見的立方金剛石外，早在上世紀六十年代，人們在隕石樣品中觀測到一種六方堆垛的sp3碳結構，即六方金剛石（lonsdaleite，朗斯代爾石）。然而，此后數十年的研究始終未能在宏觀尺度上獲得明確的純相樣品。已有實驗樣品多為納米尺度或多相混合物，其衍射特征往往與含層錯的立方金剛石高度相似。近年來，隨著極端條件實驗技術的發展，六方金剛石的塊體合成逐漸取得進展。2025年初，吉林大學劉冰冰教授團隊報道了六方金剛石塊材的實驗制備；同年，北京高壓科學研究中心毛河光院士團隊利用高純度天然單晶石墨，在高溫高壓條件下也成功獲得了六方金剛石樣品。這些研究為六方金剛石的實驗可獲得性提供了重要證據。然而，關于六方金剛石的形成機制以及其原子尺度晶體結構特征，仍缺乏系統而清晰的認識。

毫米級純相樣品實現突破

針對上述問題，實驗團隊通過在高溫高壓條件下對高定向熱解石墨實施定向單軸壓縮，在約20 GPa、1300–1900 ℃的溫壓條件下，成功制備出毫米級純相六方金剛石塊體，并借助同步輻射X射線衍射、球差校正透射電子顯微鏡等多種先進表征手段，系統確認樣品為六方 P6?/mmc 晶體結構，并排除了層錯立方金剛石及多相混合結構模型的可能性，在宏觀尺度上驗證了六方金剛石作為獨立穩定相的存在。

機器學習揭示石墨—六方金剛石轉變機制

圍繞石墨—金剛石相變，南京大學孫建團隊構建了高精度第一性原理數據集，并在此基礎上訓練了神經演化勢函數（NEP）模型。團隊應用孫建教授課題組與渤海大學樊哲勇等人合作開發的GPU加速分子動力學模擬引擎（GPUMD），開展了數十萬原子的近第一性原理精度分子動力學模擬，系統解析了上述相變的原子尺度路徑。

模擬結果表明，高度取向熱解石墨中存在的層間鍵連缺陷在相變過程中發揮了關鍵作用：一方面，這些缺陷作為優先成核位點顯著降低了相變勢壘；另一方面，層間鍵連有效抑制了石墨層間滑移，鎖定了特定堆垛順序，從而穩定了向六方金剛石轉變的路徑。

該機制不僅解釋了實驗中熱解石墨到六方金剛石形成機制，也為理解極端條件下碳結構演化提供了新的微觀圖景，為后續實驗優化與工業制備策略提供了理論依據。

值得一提的是，近年來，孫建教授課題組圍繞AI for Science（以下簡稱為“AI4S”）, 發展了一系列機器學習驅動的計算模擬方法【National Science Review 10, nwad128, (2023); Nature Computational Science 5, 255 (2025); Nature Communications 15, 7607 (2024); Nature Communications 15, 10208 (2024)】，并用其探索極端條件下的物質模擬和材料設計中的難題，提升計算模擬的效率并拓展我們對未知世界的認識邊界，取得了一系列重要研究成果，如發現了多種出人意料的行星內部物質及其新物態【Nature Physics 15, 1065 (2019); Phys. Rev. Lett. 128, 035702 (2022); Nature Communications 14, 1165 (2023)】，揭示沖擊壓縮和二維熔化等過程中的相變新機制【Phys. Rev. Lett. 131, 146101 (2023); PNAS 122, e2502980122 (2025)】等，而本工作也是應用AI4S方法幫助解析相變機制的典型代表。

性能表現優異

應用前景廣闊

實驗團隊進一步對六方金剛石的力學性能與熱穩定性進行了系統測試。結果顯示，其維氏硬度、彈性模量與抗氧化穩定性均表現出優異性能，在部分取向上甚至略高于傳統立方金剛石。理論團隊的計算也佐證了上述結果。這一成果為新型超硬材料設計以及極端環境功能器件開發提供了新的候選材料體系。

論文信息

該研究由南京大學孫建團隊與鄭州大學單崇新團隊合作完成。鄭州大學博士生來守龍、楊西貴教授與南京大學施九洋博士（現劍橋大學博士后）為論文共同第一作者，南京大學博士生賈秋涵為論文的共同作者。鄭州大學楊西貴教授、南京大學孫建教授、鄭州大學程少博教授和單崇新教授為論文通訊作者。

該項研究得到了國家自然科學基金優秀青年基金項目、面上項目、重大儀器研制項目、杰出青年基金項目和重大項目、河南省杰出青年科學基金以及河南省科技創新領軍人才支持計劃等項目的資助。相關計算工作主要在南京大學人工微結構科學與技術協同創新中心高性能計算中心、南京大學高性能計算中心等超級計算機上進行。在南京大學開展的工作還得到了南京大學固體微結構物理全國重點實驗室、人工微結構科學與技術協同創新中心、江蘇省物理科學研究中心、以及南京大學AIQ和AI for Science項目的大力支持。

來源：物理學院 科學技術研究院

編輯：劉 甜 馬艷蓉 崔靜宜

責編：郭安康 王雪純