近日，我校物理科学与技术学院高压物理科学研究院马帅领副研究员、崔田教授及吉林大学超硬材料国家重点实验室朱品文教授、德国DESY赵永胜博士，在纳米聚晶金刚石制备领域取得新突破，在纳米材料领域权威期刊small上发表了题为“Self-catalyzed Hydrogenated Carbon Nano-onions Facilitates Mild Synthesis of Transparent Nano-polycrystalline Diamond”的学术论文，马帅领副研究员为该论文第一作者，宁波大学为第一通讯单位，吉林大学和德国电子同步加速器研究所等为共通通讯单位。
金刚石不仅是珍贵的宝石，更是重要的工业和军用材料，具有优越的物理化学性能，如高硬度、高韧性、导热性、惰性、摩擦学特性、优异的透明度。然而金刚石单晶具有较高脆性，容易沿着解理面破裂，这极大地限制了单晶金刚石的应用。纳米聚晶金刚石(Nano-polycrystalline diamond, NPD)是纳米级粒径金刚石小颗粒的聚合体，晶粒之间通过金刚石直接成键聚集而成的致密结构。由于颗粒间的无序堆积导致纳米聚晶金刚石宏观表现出各向同性，不存在方向性和解理面。同时纳米结构的纳米聚晶金刚石，可以通过霍尔-佩奇效应有效阻碍位错运动，提高金刚石硬度，赋予透明纳米多晶金刚石(t-NPD)和纳米孪晶金刚石(t-NTD)更优异的物理性能。
为了合成出纳米聚晶金刚石，研究者尝试了多种方法，如爆轰法、化学气相沉积法、金刚石对顶砧高温高压法、静高压瞬态高温法等。为了实现在低温低压的条件下合成出t-NPD，研究者也利用了各种碳的同素异形体作为前驱体材料，如石墨、非晶碳、碳黑、玻璃碳、C60和碳纳米管等，虽然其可以在1800℃下转化为NPD，但仍需要超高压条件(≥15GPa)，且硬度通常在70-86GPa。理论计算表明官能团（特别是氢）可以显著降低转变压力，氢化碳材料能够引起碳原子成键从sp2向sp3转变，同时引起石墨层的畸变、层间距的增加和结构的紊乱，生成sp3键，提高sp3键的含量，从而形成有效的金刚石成核位点。因此，在碳前驱体中引入氢可能是降低石墨向金刚石转变压力的一种有效方法。
在本研究中，我们利用萘燃烧方法制备了氢化纳米洋葱碳（HCNOs），由于氢元素对石墨向金刚石的转换热力学产生了较大影响，促进了纳米碳材料向金刚石的转变，HCNOs在接近工业化生产的条件（10GPa,1600℃和15 GPa, 1350℃）下转变为透明纳米聚晶金刚石，比石墨和其他碳同素异形体的转换更容易。同时，HCNOs中高密度的褶皱层和堆积层错，导致透明纳米聚晶金刚石中出现大量的纳米孪晶结构。纳米级的晶粒尺寸、孪晶结构、薄的晶界和高致密度的微观结构使其维氏硬度达到约140GPa。简单的前驱体制备方法和工业化的合成条件，有助于实现NPD的大批量生产，具有广泛的应用前景。
该工作得到了星空在线,星空在线(中国)的大力支持。此外，国家自然科学基金（52072188、12204254）、浙江省自然科学基金（LQ23A040005）、甬江引才计划和浙江省创新团队（2021R01004）等基金也提供了支持。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202305512