断裂的金刚石
还能自我愈合？
在提高金刚石的韧性至5倍以上后
北航科研团队尝试
让金刚石学会 自我修复
近日
北京航空航天大学团队
与燕山大学团队合作
在超硬共价键材料室温自修复研究领域
取得重要研究进展
相关成果9月21日
发表于Nature Materials
和小萱一起学习——
近日，北京航空航天大学化学学院郭林教授、岳永海教授团队与燕山大学田永君院士、聂安民教授团队在超硬共价键材料室温自修复研究领域取得重要研究进展。研究成果以“Self-healing of fractured diamond” 为题，9月21日在线发表于《Nature Materials》期刊上。
第一作者：北航化学学院博士生仇克亮、侯京朋，燕山大学博士生陈帅
通讯作者：岳永海教授、聂安民教授、田永君院士、郭林教授
第一完成单位：北京航空航天大学
金刚石不仅仅是自然界最硬的材料，还具有高透光性、高热导率、宽禁带等突出优势，有着广泛的应用前景，但是其固有脆性易引发灾难性故障，对以金刚石材料为关键部件的器件的可靠性和使用寿命构成了重大威胁。如何在保证金刚石超高硬度的同时提升其断裂韧性一直是个世界性难题。
为此，2020年，郭林教授、岳永海教授团队和燕山大学田永君院士团队合作，通过在金刚石内部引入互锁的纳米晶粒、交织的纳米孪晶以及与孪晶共格的金刚石多型体等多级结构制备了一种全新的纳米孪晶金刚石复合材料，原位电子显微学实验结果显示叠层增韧、孪晶增韧以及相变增韧的协同作用使其断裂韧性提高到单晶金刚石的5倍以上，相关结果发表在当年的Nature杂志上（Nature 2020, 582, 370-374）。
但是，由于微裂纹产生而引发碎裂的灾难事故依然不可避免，研究者在进行单边缺口梁测试实验时发现，当应力撤去后，裂纹竟奇迹般地近乎消失了。对此，团队尝试如果金刚石能够在微裂纹出现的第一时间启动自我修复，将对于提高金刚石基材料和器件的使用寿命和可靠性将具有革命性意义。
鉴于此，采用原位扫描电镜和透射电镜力学实验方法从微纳尺度乃至原子尺度系统研究了纳米孪晶金刚石复合材料和单晶金刚石的自愈合行为。研究者利用自行搭建的扫描电镜原位力学测试设备，采用循环拉伸断裂测试方法，发现完全断裂的ntDC，在无压缩应力等外部干预下，可以在室温下表现出非凡的裂纹自修复能力。定量化研究结果显示断裂后的ntDC愈合拉伸强度表现出约34%的愈合效率，明显高于单晶金刚石（DSC）约6.7%的愈合效率（见图1），即使尺寸达到微米级，这种自愈合行为依然存在。
图1. 断裂的ntDC/DSC的自修复行为的定量研究
为了进一步揭示其自愈合行为内在机理，研究者利用透射电镜下的原位力学系统研究了ntDC原子尺度愈合机理。将ntDC断口处产生的含有sp2-和sp3-杂化碳原子的非晶组织，仿照骨愈合过程中形成的成骨细胞，命名为Diamond Osteoblast (DO)（见图2）。随着两断口DO相间距离的减少，其原子间相互作用力由排斥转变为吸引并重新成键，实现自愈合（见图3）。
图2. 15GPa, 2000°C条件下合成ntDC的微观结构及其断裂表面DO相形成的TEM图
图3. 原子相互作用力由排斥转变为吸引随后C-C重新成键
该工作为设计和开发具有高耐久性和抗断裂性的脆性陶瓷材料开辟了新途径。同时，作为共价键的典型代表，金刚石自愈合行为的成功揭示将对强共价键自愈合材料的开发和设计提供指导，特别是对于晶圆的室温直接成键意义重大。
文章得到了北航物理学院刘利民教授团队，北航航空科学与工程学院杨振宇副教授团队，燕山大学徐波教授等众多科研合作者的鼎力支持。该工作得到了国家自然科学基金委基础科学中心、国家重点研发计划、面上基金等项目的支持。
再来认识一下
优秀的北航作者吧——
第一作者
仇克亮
北航化学学院
2019级博士研究生
主要从事发展原位电镜技术并进行结构材料在多场耦合条件下的原位研究。
侯京朋
北航化学学院
2019级博士研究生
主要从事于金属材料结构-性能构效关系的多尺度原位研究。
通讯作者
郭林
北航化学学院
教授、博导
国家高层次人才、国务院政府特殊津贴、北京市优秀教师、宝钢优秀教师奖获得者；英国皇家化学会会士、中国化学会会士。长期从事纳米材料研究，致力于无机微纳米材料的结构设计与性能调控，发展了多种可控制备微纳米材料的新方法，揭示了相应的形成机理，总结了微结构与内在性能间的内在规律；在国际上率先开展无机非晶微纳米材料的形貌调控及性能研究，探索了其在储能、催化、力学方面的应用，取得了一些十分有意义的原创性成果。先后承担国家重点研发计划等多项课题。在Science、Nature, Nat. Mater., Nat. Catal., Chem. Rev., PNAS，JACS等国际刊物发表SCI收录论文400余篇。作为第一完成人于2010年获教育部自然科学成果一等奖，2013年获国家自然科学二等奖。
岳永海
北航化学学院
教授、博导
国家高层次人才。主要从事结构材料强韧化机制的原位机理研究及新型轻质高强复合材料的设计及性能表征，构建多尺度材料力学性能表征实验平台，研究性能与结构间的构效关系，设计性能更为优越的新型轻质高强韧结构材料。相关成果在Nature, Science, Nat. Mater., Nat. Commun., Matter等国内外著名学术期刊发表SCI论文50余篇，授权专利40余件。曾获得“中国十大新锐科技人物”、“IFAM优秀青年科学家奖”、北京航空航天大学优秀研究生导师、北京航空航天大学青年拔尖人才、北京市科学技术一等奖等荣誉。
论文原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41563-023-01656-4
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