近日，我院金刚石材料与器件团队在纳米金刚石塑性变形研究方面取得重要进展，揭示了纳米金刚石在室温下实现超大塑性变形的原子尺度机制。相关成果以“Plastic deformation in nanodiamonds”为题，于2026年3月5日发表于国际著名学术期刊《Nature Communications》上。我院张家奇教授为论文第一作者，程少博教授、单崇新教授、香港大学陆洋教授为论文通讯作者，郑州大学为第一完成单位和通讯作者单位。
金刚石由强方向性的sp?碳碳共价键构成，长期以来被认为是自然界中最硬、最典型的脆性材料之一。其超高硬度、优异热导率和宽禁带等特性，使其在超精密加工、热管理、光电子器件、量子信息和生物医学等领域具有重要应用前景。然而，正是由于其强共价键结构，块体金刚石通常难以发生塑性变形，一旦外加载荷超过承受极限，往往会发生突然断裂。这种“高硬度但低塑性”的特征，长期限制了金刚石在复杂结构加工、柔性器件构筑和极端服役环境中的进一步应用。因此，如何理解和调控金刚石的塑性变形行为，是金刚石材料研究中的重要科学问题。
针对这一问题，团队利用自主发展的原位透射电子显微镜纳米力学测试方法，在室温下对单个纳米金刚石颗粒进行原子尺度原位压缩实验。研究发现，当颗粒尺寸小于约13 nm时，纳米金刚石并不会像传统块体金刚石那样发生脆性断裂，而是能够承受超过90%的压缩应变，甚至被压缩至接近单原子层厚度，表现出超大塑性变形能力。
进一步研究表明，这种超大塑性并非由传统的位错运动或晶体滑移主导，而是源于压缩诱导的非晶化过程。在外加载荷作用下，纳米金刚石内部首先形成局部非晶区域，随后这些非晶区域不断扩展并相互连通，形成由sp?/sp?混合碳结构组成的超薄非晶网络。该非晶网络将原本完整的金刚石晶体分割为多个纳米晶粒，并为晶粒的滑移、旋转和协同重排提供通道，从而有效释放应力、延缓裂纹形成，实现连续塑性变形。该研究还发现，纳米金刚石的塑性行为具有明显尺寸依赖性。尺寸小于约13 nm的颗粒能够形成连续非晶网络并发生超大塑性变形；而较大尺寸金刚石颗粒则主要表现为裂纹扩展和脆性断裂。这说明金刚石的塑性并非普遍存在，而是在极小尺寸下由非晶化机制激活的一种新型变形模式。
这一成果突破了人们对金刚石“极硬但不可塑”的传统认识，揭示了强共价键材料在纳米尺度下可通过非晶化介导实现应力释放和结构重排的新机制。该发现不仅为理解陶瓷和共价材料的纳米尺度塑性提供了新的物理图景，也为金刚石纳米制造、微纳加工、纳米机电系统和量子器件等应用提供了新的设计思路。
该工作得到了国家自然科学基金、河南省自然科学基金等项目资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-70189-6
课题组简介：
我院金刚石材料与器件团队主要依托河南省在金刚石超硬材料领域的产业优势，聚焦金刚石领域的前沿科学问题与共性关键技术开展研究。团队一方面探索金刚石领域国际学术前沿，另一方面努力推进产学研结合，部分研究成果在上市公司实现转化。产学研合作结果曾受到中央电视台、新华网、国家自然科学基金委、《光明日报》、《中国科学报》等媒体报道。
图1.纳米金刚石的超大塑性变形过程及压缩过程种的sp3/sp2碳分布
中文
English