近日，由国家自然科学基金委员会编写、浙江大学出版社出版的《国家自然科学基金资助项目优秀成果选编（八）》正式发布，该书集中展示了“十四五”期间在国家自然科学基金资助下我国科研工作者取得的代表性优秀成果。其中，燕山大学亚稳材料全国重点实验室田永君教授团队完成的“比天然金刚石更硬人工材料的设计与合成”研究成果成功入选。
金刚石作为自然界中最硬的材料，被誉为现代工业的“牙齿”，在深地深海钻探、精密加工等工业领域以及高压物理、地球科学等前沿研究中具有重要战略地位。长期以来，学术界普遍认为合成比天然金刚石更硬的材料几乎是不可能的。硬度容易理解但是难以定义，揭示硬度的物理起源、实现超硬材料的定量设计并创制比天然金刚石更硬的人工材料一直是学术界和产业界的共同追求。在国家自然科学基金的资助下，燕山大学田永君教授团队前期从化学键出发，创建了共价材料硬度的微观模型，实现了共价材料硬度与微观参量的定量关联，使超硬材料探索从“定性”进入到“定量”设计的新阶段。在此基础上，团队创建了多晶共价材料硬化理论，阐明了共价材料随显微组织特征尺寸的减小可持续硬化的科学原理，为大幅度提升共价材料的硬度指明了关键方向。在该理论的指导下，团队提出在共价材料中形成超细孪晶组织来获得超高硬度的新思路。针对共价材料难以形成超细孪晶的难题，团队创新性地利用洋葱结构前驱体的结构相变在共价材料中成功构筑出超细孪晶组织，相继合成出纳米孪晶立方氮化硼和纳米孪晶金刚石，将金刚石硬度提升至200 GPa，实现了合成出比天然金刚石更硬的人工材料这一重大科学目标，将幻想变为现实。相关成果发表于Nature，并连续两年入选中国科学十大进展和中国高等学校十大科技进展。
在国家自然科学基金委的资助下，田永君教授团队在“十四五”期间继续在超硬材料领域深耕，通过进一步优化工艺，相继创制出硬度为233 GPa和276 GPa的纳米孪晶金刚石，连续刷新材料硬度纪录。创制的纳米孪晶金刚石衍生出镜面切削、原子级切削和原子级键合等系列变革性技术。基于纳米孪晶金刚石研制的对顶砧有望将静高压的压强边界从400 GPa拓展至TPa级，为研究超高压下的新物质、金属氢及室温超导等前沿科学问题提供关键科学装置。团队还发现了固态相变新机制，解决了石墨到金刚石直接相变机制这一困扰了科学界半个多世纪的难题，创制出具有导电/超硬、自润滑/超强、极韧/极硬等优越性能组合的石墨-金刚石杂交碳（命名为Gradia）。基于所发展的压致相变合成策略，团队创制出层状基元转角序构的氮化硼陶瓷，实现了陶瓷块材室温塑性的重大科学目标。
“十四五”期间，相关成果多次发表于Nature等期刊，获得陈嘉庚青年科学奖和中国青年科技奖等奖项，入选国家自然科学基金委2022年度优秀资助成果巡礼。该系列原创性成果将有力推动材料科学、力学、高压科学和行星科学等学科的发展，所创制和开发的变革性材料与技术将为原子级制造和深地深海等国家重大战略的实施提供“撒手锏”工具与关键技术支撑。
