重大突破，再次刷新世界纪录！

历时三年

宁波大学物理科学与技术学院潘益龙研究员

联合燕山大学高压科学中心田永君院士团队

及南京理工大学研究人员

在超硬材料领域取得重大突破

成功合成出硬度达276 GPa的超细纳米孪晶金刚石块材

继合成具有突破性硬度各向异性的金刚石块材后

再次刷新了材料硬度的世界纪录

相关研究在《Nature Synthesis》在线发表

　　原文链接：https://doi.org/10.1038/s44160-024-00707-1

　　研究内容

　　单晶金刚石的硬度因其晶体取向不同，大致在60-120 GPa的范围，一直以来，科研人员都在努力突破这一极限。细化晶粒是提升金刚石硬度的经典方法，但在纳米尺度上遇到晶界能量过高导致晶粒长大的难题，阻碍了进一步细化，从而限制了硬度的提升空间。

　　在这个技术难题上，燕山大学田永君院士团队另辟蹊径，开创了孪晶细化的新途径。与传统晶界不同，孪晶界具有更低的界面能量，为金刚石超细化提供了新的可能。

　　在前期研究中，田永君院士团队验证了该方法的可行性——成功合成了平均孪晶厚度仅5 纳米的金刚石块材，其硬度达到200 GPa，是天然金刚石的两倍(Nature 510 (7504), 250-253)。

　　团队在2021年通过高定向碳纳米管的高压相变，成功合成了平均孪晶厚度仅2.9纳米的取向性孪晶金刚石，硬度值突破纪录达233GPa(PNAS 118(47),e2108340118)。

洋葱碳结构前驱体表征

　　在最新研究中，潘益龙研究员联合田永君院士团队以及南京理工大学研究人员，通过精确控制前驱体洋葱碳的尺寸并进行高压相变，成功合成出具有突破性性能的超细纳米孪晶金刚石块材，其平均晶粒尺寸为18纳米，平均孪晶厚度仅2.3纳米，硬度值再次打破纪录达到276 GPa。

　　通过电镜观察，样品中发现了贯穿型和互锁型孪晶构型，其中互锁型孪晶占主导地位。相比之下，用金刚石粉为原料制备的纳米晶金刚石，尽管晶粒同样细小(24纳米)，但缺乏密集互锁型孪晶结构，硬度仅为125 GPa。

洋葱碳结构前驱体合成金刚石的显微结构分析

硬度作为金刚石孪晶厚度的函数

　　这项历时三年的研究工作面临诸多挑战，其中最为困难的是前驱体的制备与筛选，以及最终样品的研磨与抛光处理。为获得极细尺寸的洋葱碳前驱体，团队自主研发了多步骤工作流程，成功克服了在极细尺度下制备与分选洋葱碳的实验技术难题。此外，由于合成样品具有极高的硬度，在抛光处理样品表面以进行力学性能测试的过程中，往往需要数月的精细处理，这对研究人员的耐心和操作技巧提出了极高的要求。

　　研究意义

　　该研究通过调控孪晶的细化与类型，开创了提升材料性能的新途径，这对新型超硬材料的未来研发具有重要指导意义。

　　不仅能够满足镜面切割和超硬材料加工等高端应用场景的需求，还可通过设计纳米孪晶金刚石压砧，推动实现更高压力环境的构建，为探索金属氢、室温超导等科学难题提供全新的高压技术手段。

　　来源：宁波大学公众号