历时三年，97国际97国际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。
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。
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