研究背景
金剛石具有一系列卓越的性能，包括無與倫比的硬度、優(yōu)異的熱導率、寬帶隙和光學透明性。這些特性使其在廣泛的科學和工業(yè)應用中不可或缺。
然而，金剛石固有的脆性和有限的韌性對其更廣泛的技術(shù)整合構(gòu)成了重大障礙。
最近的進展表明，通過工程化的結(jié)構(gòu)配置——包括納米雙晶金剛石結(jié)構(gòu)、分級結(jié)構(gòu)的納米雙晶金剛石復合材料、石墨-金剛石混合物、金剛石-石墨烯復合材料和非晶金剛石相——可以克服這些傳統(tǒng)限制，展現(xiàn)出卓越的機械和物理性能。
鑒于此，燕山大學聶安民, 趙智勝, 徐波& 田永君院士合作在“Nature Materials”期刊上發(fā)表了題為“Microstructure engineering in diamond-based materials”的最新綜述論文。本文綜述了金剛石及其衍生材料的最新發(fā)展，重點討論微觀結(jié)構(gòu)設計策略、相變機制、提升性能的機會和新興現(xiàn)象。我們還概述了金剛石基材料的有前景的研究方向和潛在應用，推動金剛石基技術(shù)的前沿發(fā)展。
綜述亮點
（1）綜述首次總結(jié)了金剛石及其衍生材料的最新進展，著重介紹了金剛石在微觀結(jié)構(gòu)設計、相變機制和性能提升方面的研究成果。通過工程化結(jié)構(gòu)配置，如納米雙晶金剛石和石墨-金剛石復合材料，克服了金剛石固有的脆性和韌性限制，展現(xiàn)出更優(yōu)的機械和物理性能。
（2）文章通過詳細探討金剛石及其衍生材料的微觀結(jié)構(gòu)設計策略，如分級結(jié)構(gòu)的納米雙晶金剛石復合材料，揭示了結(jié)構(gòu)優(yōu)化對金剛石性能的顯著提升。這些新型金剛石材料在硬度、熱導率和力學性能上表現(xiàn)出了比傳統(tǒng)金剛石更強的優(yōu)勢。
（3）文章還探討了金剛石的相變機制及其在不同環(huán)境下的物理性質(zhì)變化，指出在不同壓力和溫度條件下，金剛石材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能可以通過工程設計得到調(diào)控，提供了廣泛的應用潛力。
圖文解讀
圖1:通過高溫高壓high-pressure and high-temperature，HPHT技術(shù)，從不同碳前驅(qū)體制備的微結(jié)構(gòu)工程金剛石基材料。
圖2:金剛石基材料的相變機制。
圖3:金剛石基材料的力學性能。
圖4:金剛石基材料中Emerging現(xiàn)象。
圖5:金剛石基材料的電子和光學特性工程。
結(jié)論展望
在高壓高溫（HPHT）條件下，從低密度碳形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸南嘧兲剿鳎苿恿司哂泄こ袒⒂^結(jié)構(gòu)的金剛石基材料進入了一個以增強性能和多功能性為特點的新時代。這些材料包括但不限于納米雙晶金剛石（ntD）、納米雙晶金剛石復合材料（ntDC）、Gradia和ND/DMG復合材料。本文通過創(chuàng)建熱穩(wěn)定的超細納米雙晶微觀結(jié)構(gòu)，促進了霍爾-佩奇效應和量子限制效應的雙重貢獻，顯著提升了金剛石材料的機械性能，這對于超高精度加工和深地鉆探等工業(yè)應用至關重要。對相變過程的控制產(chǎn)生了具有豐富亞穩(wěn)態(tài)界面和可調(diào)節(jié)金剛石與低密度碳形態(tài)之間比例的材料，從而賦予金剛石基材料多功能性。通過精細調(diào)控微觀和/或原子層級的界面結(jié)構(gòu)，并調(diào)整sp2和sp3雜化碳原子的比例，為金剛石基材料的發(fā)展開辟了有前景的前沿。
這一戰(zhàn)略方法不僅為調(diào)節(jié)硬度、韌性、彈性、電導率和帶隙變動等關鍵性能開辟了新的途徑，還擴展了潛在應用的廣度。一個典型的例子是由洋蔥BN前驅(qū)體衍生出的扭層BN陶瓷，它展現(xiàn)出優(yōu)異的可變形性和強度，區(qū)別于傳統(tǒng)的六方BN陶瓷。從基礎研究的角度來看，我們建議推動幾條潛在的研究方向，并與其他領域開展跨學科合作。
目前，材料科學中的一個重點是開發(fā)HPHT技術(shù)，以合成直徑超過3毫米的高質(zhì)量納米雙晶金剛石（ntD）或納米雙晶金剛石復合材料（ntDC）。這是制造金剛石砧體（DAC）的必要條件，DAC是高壓研究中不可或缺的實驗設備。此前的研究已建立了DAC砧體材料的硬度（HV，單位：GPa）與最大可達壓力（Pmax，單位：GPa）之間的近似關系。單晶DAC已展示出達到約400 GPa的潛力，最近的實驗已達398 GPa。使用硬度為200 GPa的ntD制作DAC，可以實現(xiàn)約2000 GPa的最大壓力。這種壓力能力的提升對于探索自然現(xiàn)象至關重要，可能揭示金屬氫和常溫超導等奧秘，并為了解地球內(nèi)部核心鐵和氣態(tài)巨星天王星、海王星中的冰結(jié)構(gòu)提供重要線索。
另一個在HPHT合成中的重大挑戰(zhàn)是接近ntD約600 GPa的硬度極限。為實現(xiàn)這一目標，ntD必須具備極薄的雙晶厚度，理想情況下接近金剛石最小雙晶厚度0.618納米（即3d111；沿<111>方向的單位晶胞長度）。雖然某些金剛石塊體和薄膜的雙晶厚度可以達到幾微米，但ntD的典型雙晶厚度約為5納米。理論模型表明，將雙晶厚度減少到2納米或1納米，ntD的硬度可以分別提高到300 GPa或450 GPa。ntD的納米雙晶微結(jié)構(gòu)與前驅(qū)體洋蔥碳顆粒的直徑和缺陷密度密切相關。具體而言，洋蔥碳顆粒的直徑?jīng)Q定了最大雙晶長度，而缺陷密度（如堆垛層錯）則決定了平均雙晶厚度。因此，努力減少雙晶厚度對于進一步提升ntD的硬度和韌性至關重要，這需要探索創(chuàng)新的洋蔥碳前驅(qū)體制備技術(shù)。
預計對金剛石塑性和可變形性的深入研究將豐富我們對其他脆性陶瓷的理解，而通過金剛石微觀結(jié)構(gòu)工程策略所獲得的經(jīng)驗，能夠應用于提升其他共價材料（如碳化硅）的硬度、韌性和塑性。與金屬材料中過度雙晶細化會引起軟化（反霍爾-佩奇效應）不同，納米雙晶策略為將固有硬度為20-30 GPa的共價陶瓷材料，如碳化硅，轉(zhuǎn)化為超硬材料提供了變革性潛力。這一方法設想通過精心準備的洋蔥結(jié)構(gòu)層狀碳化物、氮化物和硼化物前驅(qū)體合成超硬材料。最后，金剛石自愈現(xiàn)象（即金剛石的兩個斷裂表面在室溫下可以重新結(jié)合，因原子間的相互作用由排斥轉(zhuǎn)為吸引）為發(fā)展新的陶瓷結(jié)合技術(shù)奠定了基礎，有助于實現(xiàn)兩種陶瓷材料之間的可靠連接，具有重要的工業(yè)應用。
機器學習方法正在變革金剛石研究，通過提供前所未有的洞察力和發(fā)展能力，推動了金剛石材料在極端條件下的高精度模擬。譜鄰分析機器學習原子間勢能已推動碳材料相圖和熔融特性的原子尺度理解，超越了傳統(tǒng)分子動力學的能力。此外，納米尺度金剛石的非凡彈性變形與機器學習分析其電子和聲子結(jié)構(gòu)相結(jié)合，揭示了例如通過機械應變實現(xiàn)金屬化等科學研究新途徑。機器學習原子間勢能的開發(fā)還促進了金剛石在常溫下位錯塑性理論研究。這些進展凸顯了將機器學習與實驗和計算方法相結(jié)合的協(xié)同潛力，為微觀結(jié)構(gòu)工程的基于數(shù)據(jù)的策略發(fā)展提供了新的方向。
原文詳情：
Nie, A., Zhao, Z., Xu, B. et al. Microstructure engineering in diamond-based materials. Nat. Mater. (2025).
https://doi.org/10.1038/s41563-025-02168-z
