長期以來，摩擦學領域形成了固化的科學認知：碳材料在摩擦滑動過程中只會發生石墨化相變，絕不會形成金剛石。
傳統理論認為，無論是機械運動還是生物摩擦界面，摩擦作用產生的瞬時高溫會大幅提升碳原子遷移率，促使碳原子重排形成穩定的石墨結構。而金剛石的合成一直依賴高溫高壓靜態極端條件，學界普遍判定，摩擦動態環境無法滿足金剛石成型要求，摩擦誘導金剛石化幾乎不可能實現，此前全球尚無相關實驗驗證與研究報道。
針對這一經典科學難題，中國科學院蘭州化學物理研究所蘭州潤滑材料與技術創新中心納米潤滑課題組取得顛覆性突破，首次實現摩擦界面誘導金剛石形成，徹底打破了摩擦僅能促使碳材料石墨化的傳統認知。相關研究成果以“Diamond Formation at Superlubric Sliding Interface”為題，成功發表于頂級期刊《Advanced Materials》，為摩擦界面相變機制研究、新型超硬材料低成本制備開辟了全新思路與技術路徑。
為突破傳統相變限制，研究團隊創新提出二維限域空間約束策略。研究人員依托二維材料摩擦過程中易分層堆疊的特性，將非晶碳涂層磨損產生的碳磨屑包裹在二維材料層間，構建出“三明治”式二維夾層受限結構，為摩擦界面創造了區別于傳統環境的特殊相變條件。
該二維限域空間可同步發揮能量約束、運動約束、結構誘導三重核心作用，精準適配金剛石成型需求：
1. 能量約束：有效阻隔摩擦熱量向外擴散，讓摩擦局部區域維持持續高溫，為碳原子相變生成金剛石提供充足能量支撐，徹底改變傳統摩擦瞬時高溫的短板；
2. 運動約束：依托二維層間結構限制碳原子無序運動，大幅降低碳原子遷移率，同時持續壓縮碳結構、提升碳原子堆積密度，在局部構筑出超高壓等效環境；
3. 結構誘導：利用二維材料有序的晶格結構作為相變模板，精準引導碳原子規則重排，有效降低原子遷移產生的結構缺陷，大幅提升金剛石相的生成概率。
研究團隊通過反應分子動力學模擬，從理論層面深度揭示了二維限域空間促金剛石成型的核心機制。模擬數據顯示，該特殊受限環境可將非晶碳向金剛石轉變的能壘降低約30%，同時將結構弛豫速度提升2倍，從根本上大幅促進金剛石相的生成。
后續摩擦實驗進一步驗證了該機制的可行性與穩定性，且金剛石轉化率隨壓力提升顯著增長：
1. 初始接觸壓力1.08 GPa條件下，成功實現摩擦界面金剛石成型，非晶碳向金剛石轉化率達11.2%；
2. 接觸壓力提升至1.40 GPa時，金剛石轉化率大幅提升至38.5%。
研究同時揭示了全新的碳相演化機制。實驗發現，二維夾層內的反應產物并非單一金剛石結構，而是由非晶碳、石墨烯、非晶金剛石、金剛石及潛在新型碳相組成的復合結構。
其中石墨烯與金剛石在空間上相互獨立、分區分布，證明二者均由非晶碳磨屑直接演化生成，并非傳統認知中“石墨相變轉化為金剛石”的演變路徑。這一發現刷新了學界對摩擦界面碳相演化規律的認知，為解析碳材料動態相變機制提供了全新理論依據。
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圖文導讀
圖1.整體思路圖
圖2.初始接觸壓力1.08GPa下摩擦誘導形成金剛石
圖3.初始接觸壓力1.40 GPa下摩擦誘導形成金剛石
圖4.原子尺度理論模擬研究
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來源：https://doi.org/10.1002/adma.73531
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