自然界中最硬的材料是什么？
       我猜，大家腦海里浮現的答案一定是，金剛石。是的，天然金剛石自發現以來一直被公認為是自然界中最硬的材料，被廣泛用于科學研究和工業等諸多領域。

       那么，有沒有比金剛石更硬的材料呢？且看下文。

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

       合成出比天然金剛石更硬的新材料和新型高性能超硬材料一直是學術界和產業界的共同追求。在國內，提起超硬材料，不得不提起一個人，那就是燕山大學田永君院士。

       從進入超硬材料研究領域的那一刻起，田永君院士就從來沒有停下過鉆研的腳步。經過十幾年的潛心研究，田永君院士帶領團隊啃下了一個又一個硬骨頭，不僅建立了共價材料硬度的系統理論，提出了理想單晶和多晶共價材料硬度的理論模型，還發現了多晶共價材料在納米尺度可持續硬化，突破了材料硬化的傳統認識，為大幅度提高超硬材料的硬度指明了全新的發展方向；

       同時，田永君院士團隊還實現了高性能超硬材料制備技術上的突破，合成出性能優異的納米孿晶結構超硬材料，其硬度超過了天然金剛石，轟動了整個材料學界。截止目前，田永君院士已經在Nature（3篇）、PRL、AM、JACS等刊物發表學術論文440余篇, SCI他引12000余次，h指數50。

       2013年1月16日，田永君院士團隊采用洋蔥結構的氮化硼前驅體，成功合成出極硬的納米孿晶立方氮化硼（cBN）材料。所得納米孿晶 cBN 塊狀樣品具有光學透明性，并表現出驚人的物理特性：極高的維氏硬度（超過 100 GPa，合成金剛石的最大硬度）、高氧化溫度（~1,294 °C）和高斷裂韌性（>12 MPa m1/2），遠遠超過商業化硬質合金的韌性（~10 MPa m1/2）。研究成果以“Ultrahard nanotwinned cubic boron nitride”為題發表在《Nature》上。

       2014年6月11日，田永君院士團隊再一次實現了超硬材料領域的突破，合成了納米孿晶金剛石，其硬度是單晶金剛石硬度的兩倍，創造了材料硬度新的世界紀錄。相關成果以 “Nanotwinned diamond with unprecedented hardness and stability” 為題，發表在《Nature》上。

       2020年6月17日，燕山大學田永君院士等人表征了金剛石復合材料的結構，這種金剛石復合材料由相干的界面金剛石多型體（不同的堆積順序），交織的納米孿晶和互鎖的納米晶粒組成。復合材料的結構比單獨使用納米孿晶更能提高韌性，而且不會犧牲硬度，最終克服了硬度和韌性之間矛盾。單邊緣缺口梁測試的韌性是合成金剛石的五倍，甚至比鎂合金還高！相關論文以題為“Hierarchically structured diamond composite with exceptional toughness”發表在《Nature》。

       再獲突破，發現迄今為止最強最硬的無定形碳材料

       探索碳的新形態一直是科學研究的永恒主題。

       近日，田永君院士團隊再次在超硬材料領域取得突破，通過在高壓高溫下壓縮富勒烯C60獲得了具有高sp3鍵比例的無定形碳材料（AM-III），是迄今為止報道的最強和最硬的無定形碳材料。研究成果以“Discovery of carbon-based strongest and hardest amorphous material”為題，發表在國內頂級期刊《National Science Review》上。

       綜合力學測試表明，合成的 AM-III可以劃傷金剛石晶體，其強度接近金剛石。光致發光和吸收光譜的分析表明，AM-III是半導體，帶隙范圍為 1.5-2.2 eV，與廣泛使用的非晶硅相當。

圖1. 所制備的AM-III材料的硬度表征

圖2. AM-III材料的光學特性

       此外，生產的 AM 碳材料還表現出出色的機械和電子性能，未來有望用于需要超高強度和耐磨性的光伏應用。

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

       作者簡介

       田永君，燕山大學材料科學與工程學院教授、博士生導師，國家杰出青年科學基金獲得者、“長江學者”特聘教授、國家“萬人計劃”百千萬工程領軍人才、洪堡學者、國務院政府特貼專家，2017年11月當選中國科學院院士，2018年11月當選發展中國家科學院院士。

       田院士1994年于中科院物理所獲博士學位，1996年作為洪堡學者在德國Jena大學從事兩年合作研究，2002年獲得國家杰出青年科學基金，2008年獲國家基金委創新研究群體基金。現任燕山大學材料科學與工程學院院長，中國儀表材料學會和中國機械工程學會材料分會常務理事，燕山大學亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室、吉林大學超硬材料國家重點實驗室、中山大學光電材料與技術國家重點實驗室和上海交通大學金屬基復合材料國家重點實驗室學術委員會委員，教育部科技委委員，教育部材料物理與材料化學教學指導分委員會委員。

       田永君院士主要從事新型亞穩材料的設計與合成研究，并在超硬材料研究領域取得了突破性進展。截至目前，田永君在Nature、Physical Review Letters、Journal of the American Chemical Society等學術期刊上發表SCI論文440余篇，SCI他引12000余次，h指數50。