近日，燕山大學亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室田永君院士團隊聯合南京理工大學、寧波大學研究人員，在超硬材料領域再次實現重大突破，成功合成出硬度達276 GPa的超細納米孿晶金剛石塊材，刷新了材料硬度的世界紀錄。相關研究以“Enhancing the hardness of diamond through twin refinement and interlocked twins”為題，于2025年1月3日在Nature Synthesis在線發表。論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s44160-024-00707-1。

作為自然界中*硬的材料，金剛石在機械加工、油氣開采和地質勘探等領域有著廣泛應用。單晶金剛石的硬度因晶體取向不同而異，介于60-120 GPa之間。長期以來，科研人員一直在探索如何合成出硬度更高的金剛石材料。晶粒細化作為提升金剛石硬度的經典方法，卻在納米尺度遇到了瓶頸：過高的晶界能量會促使晶粒長大，阻礙了進一步細化，從而限制了硬度的提升空間。

面對這一技術難題，田永君院士團隊另辟蹊徑，開創了孿晶細化的新途徑。與傳統晶界相比，孿晶界具有更低的界面能量，為材料的超細化提供了新的可能。團隊前期研究已經證實這一方法的可行性——他們成功合成了平均孿晶厚度僅5納米的金剛石塊材，其硬度達到200 GPa，是天然金剛石的兩倍。

在*新研究中，研究團隊通過*控制洋蔥碳前驅體尺寸并進行高壓相變，成功合成出具有突破性性能的超細納米孿晶金剛石塊材，塊材平均晶粒尺寸18納米，平均孿晶厚度僅2.3納米，硬度高達276 GPa。通過電鏡觀察，他們發現樣品中既有貫穿型孿晶，也有互鎖型孿晶，其中互鎖型孿晶占主導地位。對比實驗進一步證實了這種結構的關鍵作用，用金剛石粉為原料制備的納米晶金剛石，盡管晶粒同樣細小（24納米），但由于缺乏密集的互鎖型孿晶結構，硬度僅為125 GPa。

這一突破不僅刷新了硬度紀錄，更為突破共價材料硬度極限開辟了新思路。通過孿晶組織的細化和類型調控，研究團隊開創了提升材料性能的新途徑，這對超硬材料的未來研發具有重要指導意義。

該研究獲得國家自然科學基金（52288102、52325203、52090020）、國家重點研發計劃（2018YFA0703400、2023YFA1406200）、河北省自然科學基金（E2022203109、E2023203256、E2023203126）等項目資助。燕山大學應盼、李寶忠和馬夢冬為共同*作者，仝柯、趙智勝和徐波為通訊作者；潘益龍（寧波大學）和唐國棟（南京理工大學）為共同通訊作者。