成功合成出了硬度超過晶體金剛石一倍的納米孿晶面金剛石

zui近國內有研究小組通過在金剛石中引入納米級別孿晶面，成功合成出了硬度超過晶體金剛石一倍的納米孿晶面金剛石(nt-Dia)結構[Nature, 510, 250–253 (2014)]。該結果在引發人們熱議的同時，也提出了很多挑戰。nt-Dia中孿晶面平均厚度為5nm，這一顆粒尺寸使得材料處于反常Hall-Petch區域，作為納米材料中被廣泛驗證的Hall-Petch效應認為，納米材料尺寸存在一個閾值，閾值納米尺寸對應的材料硬度zui大，而處于反常Hall-Petch區域的材料硬度將會隨納米尺度減小而下降。很多人嘗試對nt-Dia反常的硬度提升結果進行解釋，包括使用分子動力學，傳統剪切模型，計算彈性模量等等，但是都沒有得到很好的效果。

材料硬度作為zui直觀的物理性質之一，一直是大家的研究熱點。金剛石作為自然界中硬度zui高的材料，是材料硬度研究領域的標桿，其維氏刻壓強度可達到100GPa。尋找硬度超過金剛石的材料長期成為這領域內科研工作者的一個挑戰目標，同時這類硬度極高的材料能被用作極端情況下的切削工具、鉆頭、產生極端高壓的對頂砧等等，對于軍事、科研、工業、民用都有很重要的意義。 

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該項成果zui近發表在Physical Review Letter 117, 116103 (2016)上。研究工作受到自然科學基金項目（11574197）和國家科技委項目（2016YFA0300500）的支持。

上海交通大學孫弘教授小組一直致力于使用第一性原理計算方法對于材料的硬度特性進行探究，對于過渡金屬硼化物新型超硬材料，以及各類特殊性質超硬材料都開展過深刻的研究。通過分析實驗發現，實驗過程中使用硬度較小的金剛石壓頭去刻壓硬度較大的nt-Dia，但是zui終壓頭并沒有損壞?；谶@一觀察，研究小組提出了zui大正壓力刻壓模型，并使用該模型對nt-Dia進行了形變模擬，成功解釋了處于反常Hall-Petch區域的nt-Dia材料硬度達到200GPa這一實驗事實。計算發現孿晶面相對于一般晶界有著更低的界面能，在切向形變以及壓頭正壓力的共同作用下，將會發生規律性移動，使得材料在形變過程中，通過相變以及“旋轉”的方式，從硬度較低的結構轉變到硬度很高的結構，提升材料的硬度。