郑州大学&香港大学:金刚石纳米颗粒的 “冷焊接” 技术来了!

单崇新教授团队刚发完Nature，首次合成纯块体六方金刚石。郑州大学重磅Nature！→破解六方金刚石难题仅仅相隔一天，单崇新教授团队再发Nature子刊，在纳米金刚石中的非晶化诱导塑性变形领域取得又一突破！

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》。

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研究背景

金刚石由sp³共价碳键构成，凭借其优异的硬度、热导率及宽禁带等特性，在力学、光电子、生物医学和光子学等多个领域展现出广阔的应用前景。然而，其本征脆性极强，严重限制了自身的变形能力与加工可行性。长期以来，金刚石被公认为最硬的天然不可变形材料，这一特性主要源于其具有强方向性的C-C sp³共价键，而高脆性与近乎不可变形的特点，极大制约了其潜在应用价值的发挥。

材料的塑性变形机制具有明显的尺度依赖性：在块体及亚微米尺度下，塑性变形主要由位错的产生与迁移主导；而进入纳米尺度后，材料通常表现为低位错密度，部分情况下甚至因位错从表面逃逸而完全无缺陷存在。已有研究证实，当金刚石尺寸减小至几百纳米时，可发生弹性与塑性变形，但此时其塑性变形机制仍以位错的产生和运动为核心。对于亚10纳米尺度的金刚石，其塑性变形行为与机制预计将显著偏离块体及亚微米尺度的观测结果，这也为探索金刚石新型变形机制提供了重要的研究平台。

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研究内容

本研究中，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，在室温条件下对亚10纳米金刚石纳米颗粒开展力学实验，首次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出直径小于10纳米的金刚石纳米颗粒，经王水清洗处理以保证样品纯度。实验采用频率调制法测量纳米颗粒的刚度，结合耗散能分析实现塑性变形的精准识别。实验结果表明，该尺度下的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%仍未发生断裂。与传统位错运动或晶相转变主导的变形机制不同，这种超大塑性变形主要由相互连接的非晶碳网络形成所驱动，该网络能够有效容纳应力，进而实现晶粒的协同旋转与滑动。

研究同时发现显著的尺寸依赖性转变规律：仅当金刚石纳米颗粒直径小于约13纳米时，才会发生上述超大塑性变形；而尺寸更大的金刚石则仍以脆性方式发生变形。分子动力学模拟进一步验证了实验所观察到的非晶化介导塑性变形机制，模拟结果显示，非晶碳会形成连续的超薄层，将金刚石晶域分割为纳米级晶粒。

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，为纳米尺度力学研究及金刚石基纳米制造提供了重要理论与实验支撑。研究证实，当金刚石纳米颗粒尺寸足够小，能够形成贯穿整个结构的亚纳米非晶网络时，材料可实现从脆性到韧性的转变，进而达成超过90%的压缩应变而不断裂。这种变形机制与传统位错介导的塑性变形存在本质差异，其核心是通过晶态-无序转变实现——在高压应力作用下，金刚石长程晶格发生局部坍塌，形成亚稳非晶相。

此外，研究还发现了基于非晶化诱导超大塑性变形的尺寸诱导冷焊接现象：两个相邻的金刚石纳米颗粒在压缩作用下可逐渐融合为单个大尺寸纳米颗粒，实现无需熔化或外部加热的冷焊接与结构融合。这一发现为金刚石材料的纳米级高精度加工与组装提供了全新途径，对纳米机电系统、量子信息处理器及下一代纳米电子器件等先进领域的发展具有重要价值，同时也为提升其他脆性陶瓷材料的塑性变形能力提供了通用的理论框架。

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。

图 3.金刚石纳米粒子压缩的分子动力学模拟及其相应的力响应情况。a-i 金刚石纳米粒子在压缩过程中的提取结构。蓝色球代表金刚石中的碳原子，白色球代表非晶态碳原子。本地的非晶化过程随着非晶区域的扩大而进行，这些区域将纳米颗粒包裹成小的金刚石颗粒，并最终导致完全的非晶化，标尺为 2 纳米。J 模拟应力应变曲线，该曲线考虑了压缩过程中横截面的变化。A - I 分别对应于分子动力学模拟中提取的结构（a - i）。K 金刚石纳米颗粒在 0%、19%、38%、56%、75% 和 87% 压缩应变下的径向分布函数（RDF）分析。RDF 的演变表明，随着压缩的进行，非晶碳含量逐渐增加，证实了应变诱导的结构转变。

图 4.根据应变情况对 sp²/sp³ 变化的能谱成像。a - b 为纳米粒子在压缩前后的透射电子显微镜图像（相同比例）。比例尺为 2 纳米。c 在不同应变水平下获取的碳 K 能边电子能量损失光谱（EELS），显示 π* 峰强度逐渐增加，表明逐步形成的 sp² 键。展示了在压缩过程中金刚石纳米粒子的 d-g EELS 光谱图像以及 π*/σ* 偶合态映射。286 - 336 eV 范围内的 EELS 信号对应于由 sp³ 偶合产生的 σ* 轨道的跃迁（红色），而 283 - 285 eV 的信号则对应于与 sp² 偶合相关的 π* 轨道的跃迁（绿色）。标尺为 3 纳米。

图 5. 小于 10 纳米的金刚石纳米颗粒的压缩塑性机制及其在纳米级组装中的应用。变形阶段包括：a 原始纳米颗粒发生弹性变形。b 非晶化的开始。c 非晶化区域的扩展和增多。d 细小晶粒的形成和移动。e 纳米颗粒的完全非晶化。f 一个压缩至原子层厚度的金刚石纳米颗粒的超大塑性变形，比例尺为 3 纳米。g - I 原子力显微镜图像及相应的图示展示了在压缩作用下两个金刚石纳米颗粒融合成一个纳米颗粒，突显了其在纳米级金刚石器件制造中的潜在应用。比例尺为 3 纳米。在原子力显微镜图像中，红色虚线轮廓表示非晶化区域，蓝色虚线轮廓表示晶格条纹，“┬”标记表示位错。在示意图中，压缩系统的紫色和米色部分分别表示可移动的金刚石压头和固定的金刚石压头。

参考文献：

https://doi.org/10.1038/s41467-026-70189-6.

通讯作者简介：

单崇新教授，1999年本科毕业于武汉大学，2004年博士毕业于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所。2004年到2008年先后在香港中文大学和英国诺丁汉大学进行博士后研究。2008年以“引进国外杰出人才”身份回国，进入中科院长春光学精密机械与物理研究所工作。2015年入职郑州大学。近年来一直从事金刚石光电材料与器件研究，已发表SCI论文260余篇，被SCI他引5600余次。获国家杰出青年基金、长江学者特聘教授、中国青年科技奖、中原学者、中组部万人计划“青年拔尖人才”、人社部“百千万人才工程”及国家有突出贡献中青年专家、河南省杰出专业技术人才、河南省五四青年奖章、河南省创新争先奖状、河南省优秀科技专家等奖励和荣誉。

陆洋教授，现为香港大学机械工程系“纳米力学”讲席教授，建滔基金教授 （物料工程），工程学院副院长（内地事务）。香港青年科学院（YASHK）与香港工程院（HKAE）青年部成员。陆洋教授长期从事微纳米力学研究，致力于发展先进原位力学实验方法，揭示半导体及光电材料微观变形机制，阐明多场耦合下的力学与物理特性演化规律；并通过多尺度力学设计方法，发展微纳加工技术开发具有高性能的力学超构材料与半导体器件。他以第一或通讯作者在 Science、Nature Nanotechnology、Nature Materials等学术刊物发表文章300余篇，SCI总他引10000余次，并担任Materials Today和Science Advances的副主编，《国家科学评论》、《中国科学:技术科学》、《极端制造》、Acta Mechanica Sinica等期刊的编委。曾获得香港大学教育资助委员会「杰出青年学者奖」并入选首届香港研究资助局「研资局研究学者计划」；入选并完成首届国家自然科学基金优青（港澳）项目，并获批2025年度青年科学基金（A类）项目。

程少博，郑州大学物理学院教授，长期从事原位透射电子显微学等相关领域的研究，近几年在Science, PNAS, Nature Communications 等期刊共发表学术论文70余篇，其中第一作者或通讯作者发表论文和专著共30余篇，包括Science Advances, PNAS（3篇）, Physical Review Letters（封面文章）, Advanced Functional Materials, Nano Letters等。2021年入选了国家级人才计划青年项目（海外），2021年获得美国能源部前沿研究中心的杰出冯诺依曼博士后奖，2020年获得美国电子显微学会Postdoctoral Award, 2017年获得清华大学优秀博士学位论文奖，博士论文被选编入清华大学优秀博士论文丛书并出版发行。目前担任美国物理学会（APS）期刊的青年仲裁编辑，及其他国际期刊的青年编委。

文献链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-026-70446-8

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