PNAS：大尺寸導電金剛石功能材料

近日，鄭州大學單崇新教授團隊聯合吉林大學劉冰冰教授等人，在大尺寸導電高韌金剛石功能材料研究方面取得重要進展。相關研究成果以“Centimeter-sized?diamond composites with high electrical conductivity and hardness”為題發表在《美國科學院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上。鄭州大學楊西貴教授、臧金浩博士和趙興舉研究員為論文共同第一作者，鄭州大學程少博教授、吉林大學劉冰冰教授和鄭州大學單崇新教授為論文共同通訊作者。

金剛石作為自然界中硬度最高的物質，被譽為現代工業“牙齒”，廣泛應用于航空航天、精密加工、油氣鉆探等涉及民生和國防的重要領域。由于金剛石的密堆積結構和飽和的強共價鍵，導致其具有較低的斷裂韌性和差的導電性，極大地限制了金剛石的應用范圍。長期以來，金剛石的硬度/韌性、導電性存在相互排斥的矛盾，是該領域亟待解決的關鍵科學問題。開發綜合性能優異的大尺寸金剛石功能材料成為科學界和產業界不懈追求的目標。

針對以上問題，研究團隊提出sp³向sp²鍵逆向相變新策略，發展了基于國產六面頂壓機的大腔體高壓新技術，以納米金剛石為前驅體，在相對溫和的壓力/溫度條件下開發了厘米級大尺寸高性能金剛石復合材料（Diaphene）的生長工藝。該金剛石復合物展現了金剛石所不具備的導電性和韌性：室溫電導率高達2.0 ′?10⁴ S/m，是已報道超硬材料中的最高值；維氏硬度為42.5-55.8 GPa；斷裂韌性為10.8-19.8 MPa m^1/2，約是金剛石單晶的4倍。

大尺寸導電金剛石的維氏硬度和室溫電導率

該金剛石復合物的成功制備實現了材料硬度、斷裂韌性和導電性的協同優化，解決了金剛石材料無法兼具超硬、高韌和導電性的科學難題。該研究提出的金剛石向石墨逆向轉變的新策略和發展的大腔體高壓新技術，為大尺寸導電金剛石塊材的規模化制備提供了可行途徑。

該工作得到國家自然科學基金、中國科協青年人才托舉工程項目等支持。

論文鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2316580121.