鄭大解析納米金剛石尺寸彈性效應，為量子與熱管理器件開辟新思路

鄭州大學金剛石材料與器件團隊在納米金剛石彈性研究方面取得重要進展，揭示了納米金剛石尺寸依賴彈性軟化的原子尺度機制。相關成果以“Subsurface Driven Size-Dependent Elasticity in Nanodiamond”為題，發表在國際著名學術期刊Physical Review X上。鄭州大學張家奇教授為論文第一作者，程少博教授和單崇新教授為論文通訊作者，鄭州大學為第一完成單位和通訊作者單位。

金剛石因兼具超高硬度、優異熱導率和寬禁帶等突出特性，在超精密加工、熱管理、量子器件等領域具有重要應用前景。長期以來，金剛石一直被視為典型的高硬度脆性材料，其塊體通常只能承受極小的彈性應變，超過極限后便容易發生脆性斷裂。然而，近年來研究發現，當尺寸進入納米尺度后，金剛石能夠表現出遠超塊體的可逆彈性變形能力。這一反常現象背后的原子尺度物理機制，一直是該領域關注的重要科學問題。

納米金剛石楊氏模量隨尺寸的變化曲線及表面/亞表面的電子分布模擬圖

針對這一問題，團隊利用自主研發的原位透射電子顯微鏡納米力學測試方法，結合第一性原理計算和分子動力學模擬，系統研究了納米金剛石的尺寸依賴彈性行為。研究發現，隨著顆粒尺寸由約13nm減小至約4nm，其有效軸向楊氏模量由約1000 GPa單調降低至約700 GPa，表現出顯著的尺寸依賴軟化現象。進一步研究表明，這種剛度降低并非來自通常人們認為的最外層表面原子的軟化。相反，最外層表面原子層仍保持較強成鍵，真正主導納米金剛石彈性變化的，是位于表面與晶體內核之間的亞表層界面區域。在這一過渡區域中，表面與內核之間的連接鍵被拉長、局域電荷密度降低，從而形成了力學上更為柔順的界面層。該區域在受力過程中更容易發生應變集中，并能夠容納更大的可逆形變，因此成為納米金剛石高彈性的重要結構來源。

這一成果打破了人們對金剛石“既硬又脆”的傳統認識，揭示了決定納米金剛石彈性行為的關鍵并不只是表面本身，而是一個此前容易被忽視的亞表層界面。該發現不僅為理解脆性材料在納米尺度下為何能夠表現出高彈性提供了新的物理圖景，也為通過界面調控實現納米材料剛度設計提供了新的思路，有望為納米機械諧振器、量子器件和熱輸運器件等研究提供新的設計原則。該工作得到了國家自然科學基金、河南省自然科學基金以及鄭州大學高層次人才經費等項目資助。