罕见！这篇Nature Materials，4位作者都是通讯！

米测MeLab

2025-04-10

研究背景

金刚石具有一系列卓越的性能，包括无与伦比的硬度、优异的热导率、宽带隙和光学透明性。这些特性使其在广泛的科学和工业应用中不可或缺。

然而，金刚石固有的脆性和有限的韧性对其更广泛的技术整合构成了重大障碍。

最近的进展表明，通过工程化的结构配置——包括纳米双晶金刚石结构、分级结构的纳米双晶金刚石复合材料、石墨-金刚石混合物、金刚石-石墨烯复合材料和非晶金刚石相——可以克服这些传统限制，展现出卓越的机械和物理性能。

鉴于此，燕山大学聂安民, 赵智胜, 徐波& 田永君院士合作在“Nature Materials”期刊上发表了题为“Microstructure engineering in diamond-based materials”的最新综述论文。本文综述了金刚石及其衍生材料的最新发展，重点讨论微观结构设计策略、相变机制、提升性能的机会和新兴现象。我们还概述了金刚石基材料的有前景的研究方向和潜在应用，推动金刚石基技术的前沿发展。    

综述亮点

（1）综述首次总结了金刚石及其衍生材料的最新进展，着重介绍了金刚石在微观结构设计、相变机制和性能提升方面的研究成果。通过工程化结构配置，如纳米双晶金刚石和石墨-金刚石复合材料，克服了金刚石固有的脆性和韧性限制，展现出更优的机械和物理性能。

（2）文章通过详细探讨金刚石及其衍生材料的微观结构设计策略，如分级结构的纳米双晶金刚石复合材料，揭示了结构优化对金刚石性能的显著提升。这些新型金刚石材料在硬度、热导率和力学性能上表现出了比传统金刚石更强的优势。

（3）文章还探讨了金刚石的相变机制及其在不同环境下的物理性质变化，指出在不同压力和温度条件下，金刚石材料的微观结构和性能可以通过工程设计得到调控，提供了广泛的应用潜力。

图文解读

图1:通过高温高压high-pressure and high-temperature，HPHT技术，从不同碳前驱体制备的微结构工程金刚石基材料。

图2:金刚石基材料的相变机制。

图3:金刚石基材料的力学性能。

图4:金刚石基材料中Emerging现象。  

图5:金刚石基材料的电子和光学特性工程。

结论展望

在高压高温（HPHT）条件下，从低密度碳形态转变为金刚石的相变探索，推动了具有工程化微观结构的金刚石基材料进入了一个以增强性能和多功能性为特点的新时代。这些材料包括但不限于纳米双晶金刚石（ntD）、纳米双晶金刚石复合材料（ntDC）、Gradia和ND/DMG复合材料。本文通过创建热稳定的超细纳米双晶微观结构，促进了霍尔-佩奇效应和量子限制效应的双重贡献，显著提升了金刚石材料的机械性能，这对于超高精度加工和深地钻探等工业应用至关重要。对相变过程的控制产生了具有丰富亚稳态界面和可调节金刚石与低密度碳形态之间比例的材料，从而赋予金刚石基材料多功能性。通过精细调控微观和/或原子层级的界面结构，并调整sp²和sp³杂化碳原子的比例，为金刚石基材料的发展开辟了有前景的前沿。    

这一战略方法不仅为调节硬度、韧性、弹性、电导率和带隙变动等关键性能开辟了新的途径，还扩展了潜在应用的广度。一个典型的例子是由洋葱BN前驱体衍生出的扭层BN陶瓷，它展现出优异的可变形性和强度，区别于传统的六方BN陶瓷。从基础研究的角度来看，我们建议推动几条潜在的研究方向，并与其他领域开展跨学科合作。

目前，材料科学中的一个重点是开发HPHT技术，以合成直径超过3毫米的高质量纳米双晶金刚石（ntD）或纳米双晶金刚石复合材料（ntDC）。这是制造金刚石砧体（DAC）的必要条件，DAC是高压研究中不可或缺的实验设备。此前的研究已建立了DAC砧体材料的硬度（HV，单位：GPa）与最大可达压力（Pmax，单位：GPa）之间的近似关系。单晶DAC已展示出达到约400 GPa的潜力，最近的实验已达398 GPa。使用硬度为200 GPa的ntD制作DAC，可以实现约2000 GPa的最大压力。这种压力能力的提升对于探索自然现象至关重要，可能揭示金属氢和常温超导等奥秘，并为了解地球内部核心铁和气态巨星天王星、海王星中的冰结构提供重要线索。

另一个在HPHT合成中的重大挑战是接近ntD约600 GPa的硬度极限。为实现这一目标，ntD必须具备极薄的双晶厚度，理想情况下接近金刚石最小双晶厚度0.618纳米（即3d111；沿<111>方向的单位晶胞长度）。虽然某些金刚石块体和薄膜的双晶厚度可以达到几微米，但ntD的典型双晶厚度约为5纳米。理论模型表明，将双晶厚度减少到2纳米或1纳米，ntD的硬度可以分别提高到300 GPa或450 GPa。ntD的纳米双晶微结构与前驱体洋葱碳颗粒的直径和缺陷密度密切相关。具体而言，洋葱碳颗粒的直径决定了最大双晶长度，而缺陷密度（如堆垛层错）则决定了平均双晶厚度。因此，努力减少双晶厚度对于进一步提升ntD的硬度和韧性至关重要，这需要探索创新的洋葱碳前驱体制备技术。    

预计对金刚石塑性和可变形性的深入研究将丰富我们对其他脆性陶瓷的理解，而通过金刚石微观结构工程策略所获得的经验，能够应用于提升其他共价材料（如碳化硅）的硬度、韧性和塑性。与金属材料中过度双晶细化会引起软化（反霍尔-佩奇效应）不同，纳米双晶策略为将固有硬度为20-30 GPa的共价陶瓷材料，如碳化硅，转化为超硬材料提供了变革性潜力。这一方法设想通过精心准备的洋葱结构层状碳化物、氮化物和硼化物前驱体合成超硬材料。最后，金刚石自愈现象（即金刚石的两个断裂表面在室温下可以重新结合，因原子间的相互作用由排斥转为吸引）为发展新的陶瓷结合技术奠定了基础，有助于实现两种陶瓷材料之间的可靠连接，具有重要的工业应用。

机器学习方法正在变革金刚石研究，通过提供前所未有的洞察力和发展能力，推动了金刚石材料在极端条件下的高精度模拟。谱邻分析机器学习原子间势能已推动碳材料相图和熔融特性的原子尺度理解，超越了传统分子动力学的能力。此外，纳米尺度金刚石的非凡弹性变形与机器学习分析其电子和声子结构相结合，揭示了例如通过机械应变实现金属化等科学研究新途径。机器学习原子间势能的开发还促进了金刚石在常温下位错塑性理论研究。这些进展凸显了将机器学习与实验和计算方法相结合的协同潜力，为微观结构工程的基于数据的策略发展提供了新的方向。  

原文详情：

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