英文原题：Mechanical Amorphization-Mediated Self-Healing of Fractured Diamond
通讯作者：吴恒安（中国科学技术大学），朱银波（中国科学技术大学）
作者：Kang Wang（王康），HengAn Wu（吴恒安）*，YinBo Zhu（朱银波）*
金刚石以其超高硬度与卓越的热导率，被广泛用于耐磨涂层及航天防护结构，是人类已知最坚硬的材料之一。然而，这种极强的刚性背后隐藏着显著的脆性，一旦形成裂纹，其内部强共价键几乎不具备迁移或重构能力，使其损伤不可逆转。这种“强而不韧”的固有缺陷长期制约着金刚石在高可靠性工程领域的进一步应用。
近年来，研究者通过引入纳米孪晶与多型结构界面，成功打破了单晶金刚石脆断的传统局限，形成了具有高界面密度与多尺度层级的纳米孪晶金刚石复合材料（ntDCs）。这种新型结构在实验中展现出惊人的韧性提升，并在室温下首次观测到微裂纹自愈现象，裂纹在卸载后可部分闭合并重新恢复力学强度。这一突破使得“共价固体能否自愈”成为材料科学的新议题。
然而，实验手段的时空分辨率难以解释原子愈合的动态过程与机制。特别是非晶团簇的形成与自愈合过程，至今仍缺乏系统认识。要真正理解金刚石的自愈合机制，亟需通过原子尺度计算方法认识和理解该过程并建立相应的理论框架。
本文研究团队构建了纳米孪晶金刚石的原子尺度模型，并通过大规模分子动力学模拟，复现了实验中材料的断裂与自愈合过程，构建了金刚石材料断裂与愈合的分子动力学模型。他们通过分子动力学模拟揭示了由金刚石界面微结构引起的力致非晶现象，以及由高能的非晶团簇诱导的自愈合机制，从原子尺度解释了非晶团簇的形成与自愈合过程；通过控制外部压力，他们实现了纳米孪晶金刚石愈合效率的进一步提升，实现了对于材料的愈合微结构与愈合后断裂模式的调控。
作者基于实验表征构建了纳米孪晶金刚石（ntDCs）的原子模型并进行了大规模分子动力学模拟，系统揭示了ntDCs在受拉断裂过程中的结构演化过程。在加载初期，裂纹沿晶面传播并在界面处发生钝化与偏折，界面间的力学与结构失配导致强烈的局域应变与应力集中，从而触发键断裂、旋转与重排，形成高度无序的非晶团簇。界面处的无序化行为是由应变驱动的结构重构过程，其在宏观上表现为裂纹能量的耗散与扩展路径的改变，为后续的自愈合提供了结构前驱体。
图1. 纳米孪晶金刚石的断裂过程及结构表征
在加载卸除后，进一步追踪了断裂界面的原子重构行为，发现断裂过程中形成的非晶团簇在重新接触时会自发发生局部的sp2-sp3重杂化转变，重新建立跨界面的共价连接。这一“非晶诱导”的愈合模式不同于金属的扩散焊接或聚合物的可逆反应，而是依赖于非晶碳局部结构的拓扑柔性与能垒降低效应。结果显示含有更多非晶团簇的结构愈合效率更高，其后续的拉伸强度和韧性可恢复至原始值的40%以上，与实验中的恢复效率接近。进一步通过表面能与键型比例的定量分析，证实了结构无序化在愈合过程中提供了能垒降低的通道，并建立了从断裂表面到重构网络的原子级演化图景。
图2. 断裂表面到重构网络的原子级演化过程
在此基础上，研究提出通过外部压力实现对愈合行为的有效调控。模拟表明，在1–10 GPa范围内，随着压力的升高，体系经历了从表面排斥主导（Mode I）、局部再杂化（Mode II）到完全重结晶（Mode III）的演化路径。低压下断裂表面仍以sp2表面排斥为主，难以实现原子连接；中压区间则出现部分重构的纳米晶粒，在拉伸过程中能够阻断裂纹传播并显著提高韧性；高压下裂纹区完全转化为连续的sp3晶带，实现了近似完美的结构恢复。进一步构建的应变–压力相图揭示了愈合模式与内部应力状态的对应关系，为后续实验中通过外场调控实现高效愈合提供了定量依据。该成果系统建立了“应力诱导无序化—无序化介导再结晶”的自愈合机制框架，拓展了共价固体可逆损伤修复的物理机制。
图3. 压力调控自愈合微结构相变与断裂模式
总结与展望
综上所述，本研究通过理论建模和大规模分子动力学模拟，从原子尺度解释了纳米孪晶金刚石室温下自愈合现象，首次提出了高能界面引起的力致非晶与高能团簇无序诱导自愈合机制，并通过模拟压力加载实现了材料恢复效率的进一步提升，调控了愈合金刚石的微结构与愈合后的断裂模式。该研究成果为实现大规模C/C复合材料与大尺寸非晶碳材料的设计制备提供了理论基础和指导。
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Mechanical Amorphization-Mediated Self-Healing of Fractured Diamond
Kang Wang, HengAn Wu*, YinBo Zhu*
ACS Materials Lett. 2025, 7, XXX, 3876–3883
https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.5c01275
Published October 31, 2025
© 2025 American Chemical Society
（本稿件来自ACS Publications）