自然界中最硬的材料是什么？
       我猜，大家腦海里浮現(xiàn)的答案一定是，金剛石。是的，天然金剛石自發(fā)現(xiàn)以來一直被公認(rèn)為是自然界中最硬的材料，被廣泛用于科學(xué)研究和工業(yè)等諸多領(lǐng)域。

       那么，有沒有比金剛石更硬的材料呢？且看下文。

       燕山大學(xué)田永君院士：善打“硬”仗，深耕超硬材料，手握3篇Nature

       合成出比天然金剛石更硬的新材料和新型高性能超硬材料一直是學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的共同追求。在國內(nèi)，提起超硬材料，不得不提起一個(gè)人，那就是燕山大學(xué)田永君院士。

       從進(jìn)入超硬材料研究領(lǐng)域的那一刻起，田永君院士就從來沒有停下過鉆研的腳步。經(jīng)過十幾年的潛心研究，田永君院士帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)啃下了一個(gè)又一個(gè)硬骨頭，不僅建立了共價(jià)材料硬度的系統(tǒng)理論，提出了理想單晶和多晶共價(jià)材料硬度的理論模型，還發(fā)現(xiàn)了多晶共價(jià)材料在納米尺度可持續(xù)硬化，突破了材料硬化的傳統(tǒng)認(rèn)識，為大幅度提高超硬材料的硬度指明了全新的發(fā)展方向；

       同時(shí)，田永君院士團(tuán)隊(duì)還實(shí)現(xiàn)了高性能超硬材料制備技術(shù)上的突破，合成出性能優(yōu)異的納米孿晶結(jié)構(gòu)超硬材料，其硬度超過了天然金剛石，轟動了整個(gè)材料學(xué)界。截止目前，田永君院士已經(jīng)在Nature（3篇）、PRL、AM、JACS等刊物發(fā)表學(xué)術(shù)論文440余篇, SCI他引12000余次，h指數(shù)50。

       2013年1月16日，田永君院士團(tuán)隊(duì)采用洋蔥結(jié)構(gòu)的氮化硼前驅(qū)體，成功合成出極硬的納米孿晶立方氮化硼（cBN）材料。所得納米孿晶 cBN 塊狀樣品具有光學(xué)透明性，并表現(xiàn)出驚人的物理特性：極高的維氏硬度（超過 100 GPa，合成金剛石的最大硬度）、高氧化溫度（~1,294 °C）和高斷裂韌性（>12 MPa m1/2），遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過商業(yè)化硬質(zhì)合金的韌性（~10 MPa m1/2）。研究成果以“Ultrahard nanotwinned cubic boron nitride”為題發(fā)表在《Nature》上。

       2014年6月11日，田永君院士團(tuán)隊(duì)再一次實(shí)現(xiàn)了超硬材料領(lǐng)域的突破，合成了納米孿晶金剛石，其硬度是單晶金剛石硬度的兩倍，創(chuàng)造了材料硬度新的世界紀(jì)錄。相關(guān)成果以 “Nanotwinned diamond with unprecedented hardness and stability” 為題，發(fā)表在《Nature》上。

       2020年6月17日，燕山大學(xué)田永君院士等人表征了金剛石復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)，這種金剛石復(fù)合材料由相干的界面金剛石多型體（不同的堆積順序），交織的納米孿晶和互鎖的納米晶粒組成。復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)比單獨(dú)使用納米孿晶更能提高韌性，而且不會犧牲硬度，最終克服了硬度和韌性之間矛盾。單邊緣缺口梁測試的韌性是合成金剛石的五倍，甚至比鎂合金還高！相關(guān)論文以題為“Hierarchically structured diamond composite with exceptional toughness”發(fā)表在《Nature》。

       再獲突破，發(fā)現(xiàn)迄今為止最強(qiáng)最硬的無定形碳材料

       探索碳的新形態(tài)一直是科學(xué)研究的永恒主題。

       近日，田永君院士團(tuán)隊(duì)再次在超硬材料領(lǐng)域取得突破，通過在高壓高溫下壓縮富勒烯C60獲得了具有高sp3鍵比例的無定形碳材料（AM-III），是迄今為止報(bào)道的最強(qiáng)和最硬的無定形碳材料。研究成果以“Discovery of carbon-based strongest and hardest amorphous material”為題，發(fā)表在國內(nèi)頂級期刊《National Science Review》上。

       綜合力學(xué)測試表明，合成的 AM-III可以劃傷金剛石晶體，其強(qiáng)度接近金剛石。光致發(fā)光和吸收光譜的分析表明，AM-III是半導(dǎo)體，帶隙范圍為 1.5-2.2 eV，與廣泛使用的非晶硅相當(dāng)。

圖1. 所制備的AM-III材料的硬度表征

圖2. AM-III材料的光學(xué)特性

       此外，生產(chǎn)的 AM 碳材料還表現(xiàn)出出色的機(jī)械和電子性能，未來有望用于需要超高強(qiáng)度和耐磨性的光伏應(yīng)用。

       參考文獻(xiàn)：Zhang et al., Discovery of carbon-based strongest and hardest amorphous material, National Science Review, nwab140,https://doi.org/10.1093/nsr/nwab140

       作者簡介

       田永君，燕山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，國家杰出青年科學(xué)基金獲得者、“長江學(xué)者”特聘教授、國家“萬人計(jì)劃”百千萬工程領(lǐng)軍人才、洪堡學(xué)者、國務(wù)院政府特貼專家，2017年11月當(dāng)選中國科學(xué)院院士，2018年11月當(dāng)選發(fā)展中國家科學(xué)院院士。

       田院士1994年于中科院物理所獲博士學(xué)位，1996年作為洪堡學(xué)者在德國Jena大學(xué)從事兩年合作研究，2002年獲得國家杰出青年科學(xué)基金，2008年獲國家基金委創(chuàng)新研究群體基金?，F(xiàn)任燕山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院院長，中國儀表材料學(xué)會和中國機(jī)械工程學(xué)會材料分會常務(wù)理事，燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、吉林大學(xué)超硬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和上海交通大學(xué)金屬基復(fù)合材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會委員，教育部科技委委員，教育部材料物理與材料化學(xué)教學(xué)指導(dǎo)分委員會委員。

       田永君院士主要從事新型亞穩(wěn)材料的設(shè)計(jì)與合成研究，并在超硬材料研究領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展。截至目前，田永君在Nature、Physical Review Letters、Journal of the American Chemical Society等學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表SCI論文440余篇，SCI他引12000余次，h指數(shù)50。