尽管金刚石被认为是自然界中最硬和最强的材料，但它在实际情况中总是表现出比理论值低的多的强度。作为一种极端材料，实现金刚石的高弹性和强度将对基础和实践方面产生重大意义。燕山大学田永君院士团队和浙江大学交叉力学中心杨卫院士团队合作，通过聚焦离子束（FIB）加工结合氩等离子体清洗来制造不同尺寸的<100>，<110>和<111>取向的金刚石纳米针。结合自主研发的X-Nano样品杆在透射电镜下观察到了金刚石纳米针超大的弹性变形。实验和第一性原理计算结果表明金刚石纳米针的最大拉伸应变具有强烈的尺寸和取向依赖性。值得注意的是，在直径为60 nm的<100>取向的金刚石纳米针中，实现了高达13.4％的大弹性拉伸应变，对应于125 GPa的超高强度。这个值突破了经典Griffith理论强度值，是迄今在实验上测得的最高金刚石强度。如此大的弹性应变可以大范围地调控金刚石的带隙，进一步推动金刚石作为新一代理想半导体在柔性电子光子器件、生物传感器和纳米机械操纵器等中的应用。

不同尺寸和取向金刚石纳米针尖的最大弹性应变

实验中所用的关键设备X-Nano样品台是杨卫院士团队自主研发的四自由度原位TEM样品杆。传统TEM观察受到电镜内狭窄空间的限制，样品难以大角度倾转，只能观察到样品组织的二维投影。针对这一问题，交叉力学中心自主设计了可以实现±180°旋转的X-Nano样品杆，实现了TEM中微结构的三位表征。同时X-nano还可以在TEM中实现原位的力学加载，所有四自由度运动均由内置压电执行器精确驱动，位移精度约为0.1 nm，运动范围约为2 mm。X-Nano这种大量程、高精度的位移控制为在TEM对金刚石纳米针尖进行精确的力学测试提供了基础。

浙江大学交叉力学中心研发的X-Nano原位TEM样品杆以及经FIB加工和等离子吹扫后的金刚石纳米针尖

相关工作近期发表在Nature Communications 上。聂安民教授、博士生卜叶强和李鹏辉为论文共同第一作者，王宏涛教授和田永君院士为共同通讯作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Approaching diamond's theoretical elasticity and strength limits

Anmin Nie, Yeqiang Bu, Penghui Li, Yizhi Zhang, Tianye Jin, Jiabin Liu, Zhang Su, Yanbin Wang, Julong He, Zhongyuan Liu, Hongtao Wang, Yongjun Tian, Wei Yang

Nat. Commun., 2019, 10, 5533, DOI: 10.1038/s41467-019-13378-w