金刚石因其极高的硬度、优异的热导率和宽禁带等特性，被认为是最重要的先进功能材料之一，在高端制造、电子器件和量子技术等领域具有广阔应用前景。然而，金刚石也具有明显的“脆性”特征，即在受到外力时容易发生断裂而不是发生可恢复或可持续的塑性形变，这极大限制了其加工和应用范围。因此，如何让金刚石在保持强度的同时实现一定程度的塑性变形，一直是材料科学领域的重要研究问题。
在这项研究中，郑州大学单崇新教授、香港大学陆洋教授及相关研究团队将研究对象聚焦在纳米尺度的金刚石颗粒（nanodiamonds）上，并发现了一种此前未被充分认识的变形机制。相关成果以“Amorphization-induced plastic deformation in nanodiamonds”为题，发表于《Nature Communications》。
研究人员利用一种定制的原位透射电子显微镜（TEM）纳米力学加载装置，在纳米尺度下对单个或少量纳米金刚石颗粒施加压缩应力，并实时观察其结构变化过程。通过这种“边加载、边观察”的实验方法，研究人员能够直接记录纳米金刚石在应力作用下的原子结构演化。
实验结果显示，当纳米金刚石的尺寸足够小时，其变形行为与传统块体金刚石完全不同。研究人员发现，在持续压缩过程中，部分晶体结构会发生非晶化（amorphization）——即原本规则排列的晶格结构转变为无序的非晶碳结构。这些非晶碳区域逐渐在颗粒内部形成相互连通的网络结构，可以有效吸收和分散外部施加的应力。
与传统晶体材料通过位错运动或晶体相变来实现塑性变形不同，这项研究发现纳米金刚石的塑性主要来自这种非晶化诱导的协同变形机制。具体来说，当非晶碳网络形成后，纳米晶粒之间可以发生一定程度的旋转、滑移和重排，从而在整体上实现持续变形而不发生断裂。这种机制使纳米金刚石能够承受超过90%的压缩应变而仍然保持结构完整，表现出远超传统认知的超大塑性。
研究还揭示了一个关键的尺寸效应：只有当金刚石颗粒尺寸小于约 13纳米 时，这种非晶化诱导的超大塑性才会出现；当尺寸超过这一临界尺度时，材料仍然表现出传统的脆性断裂行为。这表明，在纳米尺度下材料的力学行为会发生显著变化，尺寸成为决定变形机制的重要因素。
为了进一步理解这一现象，研究团队结合高分辨电子显微分析和理论分析，对纳米金刚石在应力下的结构演化进行了系统研究。结果表明，局部非晶化不仅降低了应力集中，还为晶粒之间的协同运动提供了“缓冲层”，从而使材料能够在极端压缩条件下保持稳定。
这项研究从原子尺度揭示了金刚石在纳米尺度下的一种全新塑性机制，为理解超硬材料的力学行为提供了重要理论依据。更重要的是，该发现也为金刚石材料的纳米加工、应变工程以及新型电子和量子器件设计提供了新的思路。通过控制纳米尺度结构和尺寸，人们未来有望开发出既保持高强度又具有一定可加工性的金刚石材料，从而拓展其在高端制造和先进技术领域中的应用潜力。
图文导读
图 1. 测量系统及样品特性分析。a 实验装置示意图。金刚石纳米粒子（NPs）被夹持在两个固定在钨（W）导线末端的金刚石压头之间。一根导线连接到石英长度扩展谐振器（LER），另一根钨导线固定在支架框架上。LER 一侧金刚石压头的位置通过一个管式压电元件在三维空间内进行控制。b 金刚石纳米粒子的电子能量损失光谱（EELS）图像。c 由于 sp3 键合导致从 σ* 轨道跃迁而产生的 286 - 336 eV 范围内 EELS 信号的分布。d 由于存在 sp2 结构而从 π* 轨道跃迁产生的 283 - 285 eV 范围内 EELS 信号的分布。黏合。由于硅氮化物衬底中的氮元素的影响，其能量范围为 392 - 432 eV。f 三个区域（包含金刚石纳米颗粒、衬底及其重叠部分）的电子能量损失谱，展示了相应的碳 K 能级和氮 K 能级特征 59 。强度以任意单位（a.u.）表示。
图 2.金刚石纳米粒子的塑性变形过程。该纳米粒子经过四次压缩以研究其变形机制。a-e、f-j、k-o 和 p-t 分别展示了第一次、第二次、第三次和第四次压缩周期的透射电子显微镜图像以及相应的力-位移响应图。g-i 中的虚线突出显示了压缩过程中的无定形区域。l-n 中的虚线标记了由无定形碳网络将纳米粒子分割成小颗粒的位置。A-D、F-I、K-M 和 P-S 在 e、j、o 和 t 中的标注对应于 a-e、f-j、k-o 和 p-t 的透射电子显微镜图像采集时刻。分别地；各自地刻度标尺的长度为 3 纳米。
