金剛石不僅僅是自然界最硬的材料，還具有高透光性、高熱導率、寬禁帶等突出優(yōu)勢，有著廣泛的應用前景，但是其固有脆性易引發(fā)災難性故障，對以金剛石材料為關鍵部件的器件的可靠性和使用壽命構成了重大威脅。具有在室溫下自修復裂縫的能力的材料一直以來都備受追捧。然而，在無機材料中實現(xiàn)共價鍵的裂縫自修復是一項巨大的挑戰(zhàn)，通常需要高溫和大量的原子擴散。

       郭林教授、岳永海教授團隊與田永君院士、聶安民教授團隊對斷裂的納米孿晶金剛石復合材料的室溫自修復行為進行了定量評估，揭示出該復合材料的自修復性質源于在斷裂表面形成了包含sp2-和sp3-雜化碳原子的納米尺度金剛石成骨細胞，以及當兩個斷裂表面靠近時，原子相互作用由排斥轉變?yōu)槲?。自修復過程導致納米孿晶金剛石復合材料的抗拉強度恢復約34%。這一發(fā)現(xiàn)揭示了納米結構金剛石的自修復能力，為未來旨在增強脆性陶瓷材料韌性和耐久性的研究提供了寶貴的見解。相關研究成果以“Self-healing of fractured diamond”為題發(fā)表在《Nature Materials》上。

圖文導讀

圖1. 斷裂的ntDC/DSC的自修復行為的定量研究。

圖2. 15 GPa, 2000 °C條件下合成ntDC的微觀結構及其斷裂表面DO相形成的TEM圖。

圖3.  原子相互作用力由排斥轉變?yōu)槲S后C-C重新成鍵。

圖4. 兩個斷裂表面之間的相互作用。

       總結

       研究人員發(fā)現(xiàn)ntdc通過形成強共價鍵獲得顯著的自愈合能力。ntDC的分層微觀結構促進了斷口表面DO相的生成，即使在室溫下也顯著增強了斷裂面的自修復性能。此外還研究了影響金剛石材料自修復過程的其他因素，包括表面的局部電子態(tài)和接近斷裂表面之間的相互作用。該工作為設計和開發(fā)具有高耐久性和抗斷裂性的脆性陶瓷材料開辟了新途徑。同時，作為共價鍵的典型代表，金剛石自愈合行為的成功揭示將對強共價鍵自愈合材料的開發(fā)和設計提供指導，特別是對于晶圓的室溫直接成鍵意義重大。