天然金剛石在2700多年前被發(fā)現(xiàn)以來，一直被公認(rèn)為自然界中的最硬材料。在不同的晶體學(xué)取向上，天然金剛石的壓痕硬度為60?120GPa。1955年美國通用電氣公司利用高溫高壓技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室成功地合成出人造金剛石單晶，掀開了金剛石工業(yè)應(yīng)用的新篇章，成為超硬材料研究的里程碑，從此合成出比天然金剛石更硬的新材料就變成了科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的共同夢(mèng)想。但是經(jīng)過多年努力之后，科學(xué)家們開始對(duì)實(shí)現(xiàn)這一夢(mèng)想感到失望。正值金剛石成功合成50周年之際，英國劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的兩位學(xué)者就曾撰寫一篇題為“比金剛石更硬：只是幻想”的文章（Nature Materials 4（2005），4）。他們?cè)谖闹忻鞔_指出：“事實(shí)上，到目前為止既沒有發(fā)現(xiàn)天然材料也沒有發(fā)現(xiàn)合成材料比天然金剛石更硬，而且能夠合成出比天然金剛石更硬的材料幾乎是不太可能的”。

　　田永君教授研究團(tuán)隊(duì)的前期理論研究表明：在納米尺度，多晶極性共價(jià)材料的硬化除了Hall-Petch效應(yīng)的貢獻(xiàn)還有量子限域效應(yīng)的附加貢獻(xiàn)，能夠?qū)е虏牧想S顯微組織特征尺寸減小而持續(xù)硬化卻不軟化。去年，他們首先利用洋蔥結(jié)構(gòu)氮化硼前驅(qū)物在高壓下成功地合成出納米孿晶結(jié)構(gòu)立方氮化硼（Nature 493(2013), 385），將顯微組織的特征尺寸（平均孿晶厚度）減小到3.8nm，維氏硬度值可達(dá)108GPa，超過了人造金剛石單晶。納米孿晶立方氮化硼的成功合成開辟了一個(gè)同時(shí)提高材料硬度、韌性和熱穩(wěn)定性的新途徑。

　　到目前為止，通過石墨、非晶碳、玻璃碳和C60等碳前驅(qū)體的高壓相變還不能獲得納米孿晶結(jié)構(gòu)金剛石。為此，田永君教授研究團(tuán)隊(duì)及其合作者開始研究洋蔥碳在高溫高壓下的相變過程。在較低溫度下洋蔥碳在形成納米孿晶結(jié)構(gòu)立方金剛石的同時(shí)還共生出一種單斜結(jié)構(gòu)的金剛石，在文章中他們將其命名為“M-diamond”；在較高溫度下，碳洋蔥轉(zhuǎn)變成了單相的納米孿晶結(jié)構(gòu)金剛石，孿晶的平均厚度小到5nm。這種納米孿晶金剛石具有從未有過的硬度和穩(wěn)定性：維氏硬度約為天然金剛石的兩倍，可達(dá)200GPa；空氣中的起始氧化溫度比天然金剛石高出200攝氏度以上。

　　澳大利亞James Boland在Nature雜志同期的新聞與觀點(diǎn)（NEWS & VIEWS）欄目撰寫了題為“金剛石變得更硬”的文章，亮點(diǎn)報(bào)道了這項(xiàng)工作。另外，Los Angeles Times、Chemistry World、PhysOrg等國外多家科學(xué)媒體也進(jìn)行了亮點(diǎn)報(bào)道。

　　研究工作持續(xù)得到了國家自然科學(xué)基金委員會(huì)多個(gè)項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)50530099,50821001,513300012）和973計(jì)劃項(xiàng)目的支持。