【大師講堂】碳與氮化硼材料: 基礎(chǔ)科學(xué)與廣泛影響
主題：碳與氮化硼材料:? 基礎(chǔ)科學(xué)與廣泛影響
主講嘉賓：羅德尼·勞夫（Rodney S. Ruoff）教授
主持人：唐本忠教授
日期：2025年10月16日（周四）
時(shí)間：上午10:30-11:45
地點(diǎn)：行政樓西翼冼為堅(jiān)國(guó)際會(huì)議中心（W201）
語言：英文
摘要：
截至2025年，全球石墨（G）的產(chǎn)量遠(yuǎn)超金剛石（D）。以公噸計(jì)，天然石墨年產(chǎn)量約150萬噸，天然金剛石不足25噸；合成石墨高達(dá)350萬噸，而合成金剛石僅約3100噸。標(biāo)準(zhǔn)溫壓（273 K，1 atm）下，金剛石與石墨熱力學(xué)能量幾乎相當(dāng)，六方氮化硼（hBN）與立方氮化硼（cBN）也具有相近的熱力學(xué)穩(wěn)定性。根據(jù)HSC Chemistry軟件的計(jì)算，若一個(gè)僅含金剛石與石墨的純碳體系達(dá)到化學(xué)平衡，在標(biāo)準(zhǔn)溫壓（STP）下，金剛石將占22 mol%；溫度升至2000 K時(shí)，這一比例更將升至34.5 mol%。再者，金剛石在標(biāo)準(zhǔn)溫壓下的生成焓（ΔHf）其實(shí)極小——其數(shù)值約等于液態(tài)氖在沸點(diǎn)（27 K）時(shí)的蒸發(fā)焓（ΔHvap），僅為液態(tài)水中一個(gè)氫鍵焓的十分之一。
當(dāng)前教科書和主流文獻(xiàn)幾乎無一例外地將上述現(xiàn)象歸因于熱力學(xué)穩(wěn)定性。然而，勞夫教授認(rèn)為這種解釋“根本就是錯(cuò)誤的”。他提出，真正起決定性作用的是動(dòng)力學(xué)控制，而非熱力學(xué)控制。無論是在常壓下更容易合成石墨，還是在傳統(tǒng)的高溫高壓（HTHP）金屬熔劑法中得以合成金剛石，其產(chǎn)物的選擇都是由反應(yīng)路徑的動(dòng)力學(xué)能壘決定的。
在本次講座中，勞夫教授將討論合成金剛石的新途徑，并重點(diǎn)介紹其團(tuán)隊(duì)發(fā)表的突破性成果。該研究指出，從組合數(shù)學(xué)和元素周期表的角度看，能夠溶解足量碳（對(duì)立方氮化硼 cBN 而言，則為“能夠溶解足量的硼和/或氮”）的金屬熔劑，其元素組成的選擇空間極為廣闊。幸運(yùn)的是，在眾多可能的金屬熔劑體系中，關(guān)于碳（或硼、氮）的溶解行為、相平衡及其他關(guān)鍵問題，仍有大量領(lǐng)域無人涉足，為基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用技術(shù)帶來了無限機(jī)遇。
勞夫教授還將分享關(guān)于金屬熔劑中溶質(zhì)元素時(shí)空分布的新構(gòu)想：從“零時(shí)刻”（time = 0）起即加以建立與調(diào)控。結(jié)合“逆向合成”（retrosynthesis）與動(dòng)力學(xué)控制的理念，他預(yù)見金剛石與立方氮化硼的合成將迎來一個(gè)全新且極具前景的方向。
此外，講座還將介紹宏觀尺度單層單晶石墨烯（SCG）的拉伸力學(xué)行為。勞夫教授研究團(tuán)隊(duì)對(duì)規(guī)格為10毫米長(zhǎng)、2毫米寬的“啞鈴狀”單晶石墨烯樣品 [ 生長(zhǎng)在單晶Cu(111)或Ni(111)箔上 ] 進(jìn)行了系統(tǒng)的拉伸測(cè)試，測(cè)量了其楊氏模量、斷裂應(yīng)變和拉伸強(qiáng)度與晶體取向的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，這些石墨烯樣品展現(xiàn)出驚人的拉伸強(qiáng)度，在航空航天“輕量化”及其他領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。
主講嘉賓簡(jiǎn)介：
羅德尼·勞夫（Rodney S. Ruoff）教授，韓國(guó)蔚山科學(xué)技術(shù)院（UNIST）特聘教授（隸屬化學(xué)系、材料科學(xué)與工程系及能源與化學(xué)工程學(xué)院），韓國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)研究院（IBS）多維碳材料中心主任。本科畢業(yè)于德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校，1988年獲伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校化學(xué)物理博士學(xué)位；1988–89年獲富布賴特獎(jiǎng)學(xué)金，赴德國(guó)哥廷根馬克斯·普朗克流體動(dòng)力學(xué)研究所訪學(xué)。畢業(yè)后，他先于IBM T.J. Watson研究中心進(jìn)行博士后研究，隨后在SRI國(guó)際分子物理實(shí)驗(yàn)室開展科研工作六年。2000年1月至2007年8月任教于西北大學(xué)，任“約翰·埃文斯納米”工程講席教授，兼任該校仿生材料研究所負(fù)責(zé)人。2007年9月至2014年，任美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校機(jī)械工程系“科克雷爾家族董事講席教授”。 迄今在化學(xué)、物理、材料科學(xué)、力學(xué)及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域合作發(fā)表同行評(píng)議論文550余篇（H指數(shù)184，總引用超28萬次，其中5篇論文單篇引用逾萬次），擁有60項(xiàng)授權(quán)專利。
