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       自然界中最硬的材料是什么？
       我猜，大家脑海里浮现的答案一定是，金刚石。是的，天然金刚石自发现以来一直被公认为是自然界中最硬的材料，被广泛用于科学研究和工业等诸多领域。

       那么，有没有比金刚石更硬的材料呢？且看下文。

       燕山大学田永君院士：善打“硬”仗，深耕超硬材料，手握3篇Nature

       合成出比天然金刚石更硬的新材料和新型高性能超硬材料一直是学术界和产业界的共同追求。在国内，提起超硬材料，不得不提起一个人，那就是燕山大学田永君院士。

       从进入超硬材料研究领域的那一刻起，田永君院士就从来没有停下过钻研的脚步。经过十几年的潜心研究，田永君院士带领团队啃下了一个又一个硬骨头，不仅建立了共价材料硬度的系统理论，提出了理想单晶和多晶共价材料硬度的理论模型，还发现了多晶共价材料在纳米尺度可持续硬化，突破了材料硬化的传统认识，为大幅度提高超硬材料的硬度指明了全新的发展方向；

       同时，田永君院士团队还实现了高性能超硬材料制备技术上的突破，合成出性能优异的纳米孪晶结构超硬材料，其硬度超过了天然金刚石，轰动了整个材料学界。截止目前，田永君院士已经在Nature（3篇）、PRL、AM、JACS等刊物发表学术论文440余篇, SCI他引12000余次，h指数50。

       2013年1月16日，田永君院士团队采用洋葱结构的氮化硼前驱体，成功合成出极硬的纳米孪晶立方氮化硼（cBN）材料。所得纳米孪晶 cBN 块状样品具有光学透明性，并表现出惊人的物理特性：极高的维氏硬度（超过 100 GPa，合成金刚石的最大硬度）、高氧化温度（~1,294 °C）和高断裂韧性（>12 MPa m1/2），远远超过商业化硬质合金的韧性（~10 MPa m1/2）。研究成果以“Ultrahard nanotwinned cubic boron nitride”为题发表在《Nature》上。

       2014年6月11日，田永君院士团队再一次实现了超硬材料领域的突破，合成了纳米孪晶金刚石，其硬度是单晶金刚石硬度的两倍，创造了材料硬度新的世界纪录。相关成果以 “Nanotwinned diamond with unprecedented hardness and stability” 为题，发表在《Nature》上。

       2020年6月17日，燕山大学田永君院士等人表征了金刚石复合材料的结构，这种金刚石复合材料由相干的界面金刚石多型体（不同的堆积顺序），交织的纳米孪晶和互锁的纳米晶粒组成。复合材料的结构比单独使用纳米孪晶更能提高韧性，而且不会牺牲硬度，最终克服了硬度和韧性之间矛盾。单边缘缺口梁测试的韧性是合成金刚石的五倍，甚至比镁合金还高！相关论文以题为“Hierarchically structured diamond composite with exceptional toughness”发表在《Nature》。

       再获突破，发现迄今为止最强最硬的无定形碳材料

       探索碳的新形态一直是科学研究的永恒主题。

       近日，田永君院士团队再次在超硬材料领域取得突破，通过在高压高温下压缩富勒烯C60获得了具有高sp3键比例的无定形碳材料（AM-III），是迄今为止报道的最强和最硬的无定形碳材料。研究成果以“Discovery of carbon-based strongest and hardest amorphous material”为题，发表在国内顶级期刊《National Science Review》上。

       综合力学测试表明，合成的 AM-III可以划伤金刚石晶体，其强度接近金刚石。光致发光和吸收光谱的分析表明，AM-III是半导体，带隙范围为 1.5-2.2 eV，与广泛使用的非晶硅相当。

图1. 所制备的AM-III材料的硬度表征

图2. AM-III材料的光学特性

       此外，生产的 AM 碳材料还表现出出色的机械和电子性能，未来有望用于需要超高强度和耐磨性的光伏应用。

       参考文献：Zhang et al., Discovery of carbon-based strongest and hardest amorphous material, National Science Review, nwab140,https://doi.org/10.1093/nsr/nwab140

       作者简介

       田永君，燕山大学材料科学与工程学院教授、博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者、“长江学者”特聘教授、国家“万人计划”百千万工程领军人才、洪堡学者、国务院政府特贴专家，2017年11月当选中国科学院院士，2018年11月当选发展中国家科学院院士。

       田院士1994年于中科院物理所获博士学位，1996年作为洪堡学者在德国Jena大学从事两年合作研究，2002年获得国家杰出青年科学基金，2008年获国家基金委创新研究群体基金。现任燕山大学材料科学与工程学院院长，中国仪表材料学会和中国机械工程学会材料分会常务理事，燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室、吉林大学超硬材料国家重点实验室、中山大学光电材料与技术国家重点实验室和上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室学术委员会委员，教育部科技委委员，教育部材料物理与材料化学教学指导分委员会委员。

       田永君院士主要从事新型亚稳材料的设计与合成研究，并在超硬材料研究领域取得了突破性进展。截至目前，田永君在Nature、Physical Review Letters、Journal of the American Chemical Society等学术期刊上发表SCI论文440余篇，SCI他引12000余次，h指数50。