【48812】《天然·通讯》宣布西安交大资料学院研讨成果：百纳米级金刚石颗粒自驱动进入钢铁晶体

  近来，西安交通大学资料学院单智伟教授团队与资料立异规划中心团队协作，研讨之后发现数十、乃至百纳米级其他金刚石颗粒能够在远低于钢铁熔点的温度下，以颗粒而非单个原子的方式，自驱动地进入钢铁晶体内部而且继续向内“行走”，最大行程可达数毫米且主体部分从始至终坚持金刚石晶体结构。关于这一发现及其背面的物理机制的文章，以《纳米金刚石颗粒在铁晶体内部中的运动》（“Inward motion of diamond nanoparticles inside an iron crystal”）为题宣布在《天然

  西安交通大学为该作业的榜首作者单位和仅有通讯单位，西安交通大学王悦存副教授、王旭东博士、丁俊教授为一起榜首作者；西安交通大学单智伟教授和马恩教授为本文通讯作者；为该研讨作出重要贡献的还有美国麻省理工学院李巨教授、西安交通大学张伟教授、沈阳理工大学段占强教授、贾春德教授和西安交通大学的梁倍铭硕士、黄龙超博士，范传伟工程师及博士研讨生徐伟、刘章、郑芮，硕士研讨生左玲玲等。该研讨得到了国家天然科学基金委、西安交大青年优秀人才方案、西安交通大学王宽诚青年学者等项目的支撑。

  钢铁渗碳的前史能够追溯到两千年多年前，其主要进程是：外界碳源（固/液/气）在高温下分化为活性碳原子并逐步进入进钢铁，从而使低碳钢工件具有高碳外表，再经淬火、回火处理，取得高硬度、高耐磨的外表。传统认知中，渗碳所用的碳源必需要先分化成活性碳原子，然后才能在浓度梯度驱动下，以单个原子的方式分散进入铁晶格并空隙固溶其间，过饱和后以碳化物或石墨的方式分出。但是，进入的碳无法以最抱负的强化相——金刚石呈现。由此引发了一个科学上的立异考虑：金刚石小颗粒有没有或许全体进入钢铁晶体中，而且保存金刚石结构。

  为验证这一斗胆想象，研讨团队以金刚石纳米颗粒和高纯铁及低碳钢为目标（图1a, b），运用原位透射电子显微镜对加热进程中金刚石纳米颗粒的运动进程进行实时调查：当外表附着有金刚石颗粒的钢铁被加热到必定温度后，其外表氧化膜首要产生分化，暴露出新鲜的铁原子。然后这些铁原子敏捷向上分散掩盖金刚石颗粒的外表，金刚石颗粒在毛细应力驱动下被快速“吞没”进钢铁基底中。冷却至室温后调查发现：金刚石颗粒不仅仅能够很多进入到钢铁内部（图1c），而且沉入深度可到达纳米金刚石颗粒本身标准的数千倍以上（毫米级）。图1d暗示了整个进入进程。结合榜首性原理核算、蒙特卡洛模仿及多维度表征，进一步提醒了纳米金刚石颗粒在钢铁晶体内部运动的微观机制：在铁的催化作用下，金刚石颗粒外表产生石墨化并部分溶解，在钢铁基底中及纳米金刚石颗粒周围别离构成长程和部分的碳浓度暨化学势梯度。在与此伴生的铁化学势梯度驱动下，金刚石周围的铁沿着金刚石和铁基底的界面不断上涌并构成一个向下部分应力，“推进”着金刚石向下行进。铁原子在金刚石颗粒外表的石墨层内的界面分散，刚好为其长途搬迁供给了快速通道（铁原子沿此通道向上搬迁的速率得以高于铁晶格中碳原子向下运动的速率）。

  图1 （a）研讨中所用的纳米金刚石粉的透射电镜表征；（b）纳米金刚石颗粒进入纯铁基底中的原位扫描调查；（c）纳米金刚石颗粒在铁内部的透射表征；（d）纳米金刚石自驱动进入钢铁基底的全进程及原理暗示。

  因为纳米金刚石具有超高强度、热导率、化学稳定性与低热线胀系数、低摩擦系数、超高级特色，是一种抱负的金属强化粒子。根据上述发现，将纳米金刚石进入进钢铁资猜中，构成钢铁和金刚石的梯度复合资料，有或许大幅改进钢铁的外表功能，如硬度、导热性和耐磨性等。我国是最大的人工金刚石制作国，出产了国际上90%以上的人工金刚石，其间作为副产品的纳米金刚石粉的价格仅为~2000元/公斤。开始预算显现1公斤纳米金刚石粉能处理10吨的钢材（构成mm级的硬化层）。我国的钢铁年产量超越10亿吨，占国际总产量的一半以上，一起，我国也是钢铁的最大运用国，使用需求十分旺盛。该研讨为钢铁资料的外表强化供给了新的思路和办法。

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