全球首次完整拍到“石墨变金刚石”最初那一瞬间的原子动作，中国团队把困扰学界几十年的成核争议直接讲清楚了。

这项成果由中国吉林大学、曲阜师范大学和浙江大学合作完成，通讯作者是曲阜师范大学刘晓兵教授、吉林大学李全教授、浙江大学马琰铭院士，论文共同第一作者为吉林大学博士生王迪和曲阜师范大学赵波博士。论文已于2026年11月3日在线发表于《自然·通讯》，题为《Scale-dependent pathways of the graphite-to-diamond transition》。国内科技媒体在11月12日至13日前后陆续报道，属于后续传播，不是论文首发时间。

先把最难的地方讲明白。石墨和金刚石都是碳，但原子排布完全不同：石墨像一层层薄片，层内碳原子手拉手很紧，层与层之间却比较松；金刚石则是每个碳原子都朝四个方向牢牢连接，所以特别硬。过去大家知道高温高压能把石墨变成金刚石，但“最初那一下”到底怎么发生，一直看不清。因为成核太快、能垒又高，实验很难抓住最初几纳米的小晶核，常规模拟也很难在有限时间里完整看到自发成核。

这次团队用了一种叫“适温元动力学”的增强采样方法，也就是 Well-Tempered Metadynamics，常被简称为 WTMetaD，再配合反应力场模拟，不预先放好晶核，而是让石墨自己在模拟里“动”起来。结果发现，转变并不是一下子整层翻转，而是先出现局部扰动：石墨层微微翘曲，层间键反复形成又断开；随后局部形成的sp³键逐渐连成网络，长出能继续长大的金刚石类晶核；晶核稳定后，再沿着石墨层面和堆垛方向扩展。简单说，就是先“起皱”，再“搭桥”，最后“长晶”。

更关键的是，实验也补上了证据。团队用多壁碳纳米管做前驱体，利用它的径向限域效应，让早期结构不容易一下子长太大，从而把成核初期“冻”住；再用高定向热解石墨观察后续生长和晶界调整。最终在回收样品中观测到约2—6纳米的金刚石临界晶核，并且发现晶核长大后，晶面间距逐渐接近体相金刚石数值。这相当于在电镜下抓到了相变最初阶段的“婴儿期”金刚石。

这项研究的领先之处在于，它不是只提出一种新模型，而是把过去互相矛盾的不同路径解释串了起来。论文指出，石墨到金刚石的转变存在尺度依赖：在层内受限和层间受限条件下，转变路径会不同。也就是说，以前有些研究看到的可能是不同受限环境下的不同片段，这次则给出了更完整的图景，调和了长期存在的理论分歧。

放到国际上看，石墨向金刚石转变属于凝聚态物理和材料科学里的经典难题。高温高压合成金刚石技术早已应用，但原子尺度的早期成核过程一直缺乏完整、可直接对照的实验—模拟证据链。这次团队把增强采样模拟、高温高压实验和高分辨电镜表征结合起来，完整呈现“结构扰动—晶核形成—晶体生长”的全过程，对理解天然金刚石形成、优化人工金刚石合成路径都有重要意义。

它的应用价值主要体现在材料制备和极端条件研究上。比如，未来可以更精细地设计前驱体结构，控制金刚石晶粒大小、取向和缺陷分布；也可以帮助理解碳材料在高温高压下的行为，为超硬材料、耐磨涂层、精密加工工具等方向提供理论支撑。需要说明的是，这些属于基础机制带来的长期启发，不是已经直接量产某种新产品。

一句话总结：这项研究把“石墨怎么变成金刚石”的最早几步拍清楚了，既补上了实验证据，也给出了统一的原子尺度解释，是中国团队在碳材料相变基础研究中一次很扎实的前沿突破。

图注： 经典石墨与金刚石相变过程科学示意图（学术界公开研究成果）。左图：石墨的层状原子结构（层内结合紧密，层间结合力弱）；右图：经高温高压发生“相变”后，形成金刚石（或类金刚石）的三维网络结构，原子间形成坚固的sp³化学键。图片来源： 本文所引用科学示意图，来源于碳材料相变相关学术研究成果。此类结构对比示意图在凝聚态物理与材料科学领域属于公开的通用科学模型（Graphite-to-Diamond Phase Transition Model），旨在直观展示原子从“层状排列”到“三维网状排列”的转化原理。本内容仅用于个人学术科普解读。