近日，博彩导航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实现重大突破：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（发表于PNAS，原文链接：//doi.org/10.1073/pnas.2108340118），再次刷新了材料硬度的世界纪录。相关研究以“Enhancing the hardness of diamond through twin refinement and interlocked twins” 为题。于2025年1月3日在《Nature Synthesis》在线发表（原文链接：//doi.org/10.1038/s44160-024-00707-1）。
金刚石是自然界中最硬的材料，广泛应用于工业加工和勘探领域。单晶金刚石的硬度因其晶粒取向的不同，具有60-120 GPa的各向异性，科研人员一直致力于突破这一极限。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。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，通过合成了孪晶厚度仅2.9 nm的取向性金刚石块材，其硬度突破天然金刚石的两倍以上，达233 GPa。
在最新研究中，研究团队通过精确控制洋葱碳前驱体尺寸，并利用高压相变技术，成功合成出硬度达到276 GPa的超细纳米孪晶金刚石。其平均晶粒尺寸为18 nm，平均孪晶厚度仅2.3 nm。通过电镜观察，样品中发现了贯穿型和互锁型孪晶构型，其中互锁型孪晶结构占主导地位。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 nm），但缺乏密集互锁型孪晶结构，硬度仅为125 GPa。
这一突破性成果不仅刷新了材料的硬度纪录，更为超硬材料的研究提供了新的思路。通过调控孪晶的细化与类型，为未来金刚石及其他共价材料的性能提升开辟了新的途径，这对超硬材料的未来研发具有重要指导意义。
燕山大学应盼、李宝忠和马梦冬为共同第一作者，仝柯、赵智胜和徐波为通讯作者；潘益龙（宁波大学）和唐国栋（南京理工大学）为共同通讯作者。
附：图文导读
图1：洋葱碳结构前驱体表征。
图2：洋葱碳结构前驱体合成金刚石的显微结构分析。
图3：硬度作为金刚石孪晶厚度的函数。
图4：典型孪晶结构和包含这些孪晶构型的多晶金刚石模型示意图。