郑州大学单崇新等团队Nature Communications !!纳米金刚石中的非晶化诱导塑性变形

金刚石由sp³共价碳键组成，以其卓越的硬度、热导率和宽禁带等特性而闻名，然而其本征脆性严重限制了变形和加工能力。金刚石长期以来被认为是不可变形的最硬天然材料，这主要归因于其强方向性的C-C sp³共价键。尽管金刚石在力学、光电子、生物医学和光子学等领域具有广泛应用前景，但高脆性和几乎不可变形的特性严重制约了其潜在应用。在块体和亚微米尺度上，材料的塑性变形通常由位错的产生和迁移主导；而在纳米尺度上，材料通常表现出低位错密度，在某些情况下甚至因位错从表面逃逸而完全不存在缺陷。此前研究表明，当金刚石尺寸减小到几百纳米时，可以发生弹性和塑性变形，但其塑性变形机制仍主要由位错的产生和运动控制。对于亚10纳米尺度的材料，其塑性变形行为和机制预计会偏离块体和亚微米尺度观察到的现象，这为探索新型变形机制提供了重要平台。

在这项研究中，研究人员利用自主设计的原位透射电子显微镜力学样品杆，在室温下对亚10纳米金刚石纳米颗粒进行了力学实验，发现了非晶化介导的超大塑性变形现象。研究团队通过爆炸法制备了直径小于10纳米的金刚石纳米颗粒，并使用王水清洗以确保纯度。实验采用频率调制方法测量纳米颗粒的刚度，通过耗散能分析识别塑性变形。结果表明，纳米金刚石可被压缩至接近单原子层厚度，压缩应变超过90%而不断裂。这种塑性变形由相互连接的非晶碳网络的形成所主导，该网络能够容纳应力并实现晶粒的协同旋转和滑动，而非传统的位错运动或晶相转变机制。研究还发现明显的尺寸依赖性转变：仅在直径小于约13纳米的纳米金刚石中发生超大塑性变形，而较大的金刚石则以脆性方式变形。分子动力学模拟进一步证实了实验观察到的非晶化介导的塑性变形机制，显示非晶碳形成连续的超薄层，将晶域分割成纳米晶粒。

该研究成功揭示了亚10纳米金刚石在室温下的非晶化介导超大塑性变形机制，为纳米尺度力学和金刚石基纳米制造提供了重要见解。研究发现，当金刚石纳米颗粒尺寸足够小以形成贯穿结构的亚纳米非晶网络时，材料可从脆性转变为韧性，实现超过90%的压缩应变而不发生断裂。这种变形机制 fundamentally不同于传统位错介导的塑性变形，而是通过晶态-无序转变实现，其中长程金刚石晶格在高压应力下局部坍塌形成亚稳非晶相。该研究还展示了基于非晶化诱导超大塑性变形的尺寸诱导冷焊接现象，两个相邻金刚石纳米颗粒可在压缩下逐渐融合为单个大纳米颗粒，实现无需熔化或外部加热的冷焊接和结构融合。这一发现为金刚石材料的纳米级加工和组装提供了高精度途径，对纳米机电系统、量子信息处理器和下一代纳米电子器件等先进应用具有重要价值，同时也为增强其他脆性陶瓷的塑性变形提供了更广泛的框架。