近日，郑州大学金刚石材料与器件团队在纳米金刚石弹性研究方面取得重要进展，揭示了纳米金刚石尺寸依赖弹性软化的原子尺度机制。相关成果以“Subsurface Driven Size-Dependent Elasticity in Nanodiamond”为题，发表在国际著名学术期刊《Physical Review X》上。郑州大学张家奇教授为论文第一作者，程少博教授和单崇新教授为论文通讯作者，郑州大学为第一完成单位和通讯作者单位。

金刚石因兼具超高硬度、优异热导率和宽禁带等突出特性，在超精密加工、热管理、量子器件等领域具有重要应用前景。长期以来，金刚石一直被视为典型的高硬度脆性材料，其块体通常只能承受极小的弹性应变，超过极限后便容易发生脆性断裂。然而，近年来研究发现，当尺寸进入纳米尺度后，金刚石能够表现出远超块体的可逆弹性变形能力。这一反常现象背后的原子尺度物理机制，一直是该领域关注的重要科学问题。

针对这一问题，团队利用自主发展的原位透射电子显微镜纳米力学测试方法，结合第一性原理计算和分子动力学模拟，系统研究了纳米金刚石的尺寸依赖弹性行为。研究发现，随着颗粒尺寸由约13nm减小至约4nm，其有效轴向杨氏模量由约1000 GPa单调降低至约700 GPa，表现出显著的尺寸依赖软化现象。进一步研究表明，这种刚度降低并非来自通常人们认为的最外层表面原子的软化。相反，最外层表面原子层仍保持较强成键，真正主导纳米金刚石弹性变化的，是位于表面与晶体内核之间的亚表层界面区域。在这一过渡区域中，表面与内核之间的连接键被拉长、局域电荷密度降低，从而形成了力学上更为柔顺的界面层。该区域在受力过程中更容易发生应变集中，并能够容纳更大的可逆形变，因此成为纳米金刚石高弹性的重要结构来源。

这一成果打破了人们对金刚石“既硬又脆”的传统认识，揭示了决定纳米金刚石弹性行为的关键并不只是表面本身，而是一个此前容易被忽视的亚表层界面。该发现不仅为理解脆性材料在纳米尺度下为何能够表现出高弹性提供了新的物理图景，也为通过界面调控实现纳米材料刚度设计提供了新的思路，有望为纳米机械谐振器、量子器件和热输运器件等研究提供新的设计原则。

该工作得到了国家自然科学基金、河南省自然科学基金以及郑州大学高层次人才经费等项目资助。

论文链接：https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/b3h5-34wt

纳米金刚石杨氏模量随尺寸的变化曲线，及表面/亚表面的电子分布模拟图