金剛石不僅僅是自然界最硬的材料，還具有高透光性、高熱導(dǎo)率、寬禁帶等突出優(yōu)勢(shì)，有著廣泛的應(yīng)用前景，但是其固有脆性易引發(fā)災(zāi)難性故障，對(duì)以金剛石材料為關(guān)鍵部件的器件的可靠性和使用壽命構(gòu)成了重大威脅。具有在室溫下自修復(fù)裂縫的能力的材料一直以來(lái)都備受追捧。然而，在無(wú)機(jī)材料中實(shí)現(xiàn)共價(jià)鍵的裂縫自修復(fù)是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)，通常需要高溫和大量的原子擴(kuò)散。

       郭林教授、岳永海教授團(tuán)隊(duì)與田永君院士、聶安民教授團(tuán)隊(duì)對(duì)斷裂的納米孿晶金剛石復(fù)合材料的室溫自修復(fù)行為進(jìn)行了定量評(píng)估，揭示出該復(fù)合材料的自修復(fù)性質(zhì)源于在斷裂表面形成了包含sp2-和sp3-雜化碳原子的納米尺度金剛石成骨細(xì)胞，以及當(dāng)兩個(gè)斷裂表面靠近時(shí)，原子相互作用由排斥轉(zhuǎn)變?yōu)槲Ｗ孕迯?fù)過(guò)程導(dǎo)致納米孿晶金剛石復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度恢復(fù)約34%。這一發(fā)現(xiàn)揭示了納米結(jié)構(gòu)金剛石的自修復(fù)能力，為未來(lái)旨在增強(qiáng)脆性陶瓷材料韌性和耐久性的研究提供了寶貴的見(jiàn)解。相關(guān)研究成果以“Self-healing of fractured diamond”為題發(fā)表在《Nature Materials》上。

圖文導(dǎo)讀

圖1. 斷裂的ntDC/DSC的自修復(fù)行為的定量研究。

圖2. 15 GPa, 2000 °C條件下合成ntDC的微觀結(jié)構(gòu)及其斷裂表面DO相形成的TEM圖。

圖3.  原子相互作用力由排斥轉(zhuǎn)變?yōu)槲S后C-C重新成鍵。

圖4. 兩個(gè)斷裂表面之間的相互作用。

       總結(jié)

       研究人員發(fā)現(xiàn)ntdc通過(guò)形成強(qiáng)共價(jià)鍵獲得顯著的自愈合能力。ntDC的分層微觀結(jié)構(gòu)促進(jìn)了斷口表面DO相的生成，即使在室溫下也顯著增強(qiáng)了斷裂面的自修復(fù)性能。此外還研究了影響金剛石材料自修復(fù)過(guò)程的其他因素，包括表面的局部電子態(tài)和接近斷裂表面之間的相互作用。該工作為設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)具有高耐久性和抗斷裂性的脆性陶瓷材料開(kāi)辟了新途徑。同時(shí)，作為共價(jià)鍵的典型代表，金剛石自愈合行為的成功揭示將對(duì)強(qiáng)共價(jià)鍵自愈合材料的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，特別是對(duì)于晶圓的室溫直接成鍵意義重大。