前不久，美國初創(chuàng)公司NDB（Nano-DiamondBattery）宣布創(chuàng)造出了世界首個，能夠?qū)崿F(xiàn)任何環(huán)境下運(yùn)行，并且自充電可持續(xù)成千上萬年的納米金剛石核電池。

該技術(shù)將核廢料石墨中制備納米金剛石，利用反射性碳-14衰變時(shí)發(fā)出的電子來源源不斷的發(fā)電。其中納米金剛石充當(dāng)了半導(dǎo)體和散熱片的角色，收集電荷并將其傳送出去。兩項(xiàng)概念驗(yàn)證測試表明，電荷收集率可達(dá)創(chuàng)紀(jì)錄的40%。

手機(jī)電動車再也不用充電了……

這項(xiàng)技術(shù)過于逆天，以至于聽起來像是賈躍亭造電動汽車一樣的唬人概念。不過納米材料由于其微觀尺寸產(chǎn)生的表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子效應(yīng)等，往往展示出許多大塊固體所沒有的新奇效應(yīng)。

納米金剛石不但擁有金剛石塊材優(yōu)異的物化特性，還具備超高的機(jī)械性能、良好的生物相容性、獨(dú)特的半導(dǎo)體特性、量子光學(xué)特性等等，從而屢屢登上頭條，下面筆者就來盤點(diǎn)下近年來在Nature&Science上大放異彩的納米金剛石。

過針刺 低溫防爆18650 2200mah

符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)

充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

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硬度是天然金剛石兩倍的納米孿晶金剛石

2014年燕山大學(xué)的田永君院士團(tuán)隊(duì)使用了洋蔥碳納米顆粒作為前驅(qū)體，在2300-2500℃和12-25GPa條件下直接合成平均孿生厚度為5nm的納米孿晶金剛石（nt-D），其維氏硬度高達(dá)200GPa！是天然Ia型鉆石的兩倍！而且空氣中的氧化溫度還比天然金剛石高200℃。

納米孿晶金剛石樣品和一騎絕塵的各項(xiàng)機(jī)械性能指標(biāo)

根據(jù)Hall-Petch效應(yīng)（屈服強(qiáng)度隨晶粒尺寸變小而增強(qiáng)），因此可以通過納米結(jié)構(gòu)化如納米晶粒化和納米孿生的微觀結(jié)構(gòu)來提高金剛石的硬度。孿晶邊界比晶界具有更低的能量，在納米尺度上，孿晶邊界表現(xiàn)出的硬化作用與金屬的晶界相同，同時(shí)沿致密分布的孿晶邊界的位錯滑動還增強(qiáng)了斷裂韌性，從而解釋了納米孿晶金剛石的超高硬度原因。

韌性是合成金剛石五倍的復(fù)合納米孿晶金剛石

無人船智能鋰電池

IP67防水，充放電分口 安全可靠

標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測繪、無人設(shè)備

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隨后田院士團(tuán)隊(duì)對納米孿晶金剛石進(jìn)行了更深入的研究，在去年發(fā)表的Nature文章中開發(fā)出了韌性高達(dá)26.6MPam1/2的納米孿晶層狀金剛石復(fù)合材料，其韌性是合成金剛石的五倍，甚至比鎂合金還高。

復(fù)合納米孿晶金剛石樣品和硬度/斷裂韌性對比圖

這種層狀金剛石復(fù)合材料由堆積順序不同的連貫界面金剛石多型體（coherentlyinterfaceddiamondpolytype）和交織的納米孿晶組成。

當(dāng)發(fā)生斷裂時(shí)，裂紋通過之字形路徑沿{111}平面?zhèn)鞑ネㄟ^3C立方多形的金剛石納米孿晶。當(dāng)裂紋遇到非3C型的區(qū)域時(shí)，裂紋的傳播會擴(kuò)散成彎曲的裂縫，并在裂縫表面附近局部轉(zhuǎn)變?yōu)?C金剛石。這兩個過程都耗散了應(yīng)變能，從而提高了韌性。

彈性應(yīng)變金剛石，不再脆弱，能屈能伸

今年初，來自香港城市大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究人員實(shí)現(xiàn)了金剛石最高達(dá)到9%的均勻彈性應(yīng)變，而且[101]方向在達(dá)到9%應(yīng)變時(shí)帶隙降低到3.09eV。這種通過對材料施加較大晶格應(yīng)變，從而改變能帶結(jié)構(gòu)及其相關(guān)光電特性的應(yīng)變工程有代替金剛石難度極大的半導(dǎo)體摻雜，從而對微電子、量子信息等領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響。

使用夾具拉伸金剛石微橋。圖片來自香港城市大學(xué)。

研究人員使用聚焦離子束將單晶金剛石微加工為長約1微米，寬約100納米的單晶金剛石微橋結(jié)構(gòu)，隨后用夾具進(jìn)行拉伸，有限元分析發(fā)現(xiàn)單橋結(jié)構(gòu)在夾持部位出現(xiàn)最大局部拉伸應(yīng)變，三橋結(jié)構(gòu)夾持部位局部拉伸應(yīng)變最小。DFT計(jì)算結(jié)果表明，隨著拉伸應(yīng)變的增加，金剛石在每個方向的帶隙均會減小，其中[101]方向的帶隙減小率最大，在9％應(yīng)變下下降至3.09eV，變成了直接帶隙半導(dǎo)體。

其中通訊作者之一，港城大的陸洋副教授，曾在2018年的Science中發(fā)表了金剛石納米針（~300nm）約9%彈性拉伸形變的發(fā)現(xiàn)，相應(yīng)的最大拉伸應(yīng)力達(dá)到~89-98GPa，接近理論彈性極限。

真正的大丈夫，剛正不阿，能屈能伸！

被壓頭碰彎的金剛石納米針

納米金剛石用于超敏傳感則是用到了內(nèi)部所含的氮-空位缺陷，即NV色心。其中帶負(fù)電荷的NV色心不同的電子自旋量子態(tài)可發(fā)出不同亮度的熒光（637nm），而其電子自旋態(tài)極易受周圍微弱的磁熱力電場所影響，并通過熒光變化展現(xiàn)出來。通過激光與微波調(diào)控自旋態(tài)，即可方便的利用NV色心的熒光變化進(jìn)行超敏傳感。

NV色心結(jié)構(gòu)、電子能級結(jié)構(gòu)以及兩種自旋狀態(tài)下的熒光光譜

超靈敏生物傳感，試紙檢測HIV病毒

去年倫敦大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)用納米金剛石中NV色心的超靈敏熒光標(biāo)記功能開發(fā)了一種超敏感體外診斷試紙，達(dá)到了生物素-親和素模型的8.2×10-19mol的超低檢測限，比使用納米金顆粒獲得的檢測限高105倍。

LFA層析試紙上結(jié)合抗體的熒光納米金剛石

研究人員通過一系列表面處理給納米金剛石上修飾了抗體，通過對底物上結(jié)合的納米金剛石的熒光檢測來進(jìn)行超敏感診斷。應(yīng)用計(jì)算鎖定（lock-in）算法來有選擇地提取參考頻率的信號。可將周期性的FND熒光與非周期性的背景熒光分開，從而提高了信噪比。

通過添加10分鐘的等溫?cái)U(kuò)增步驟，超敏熒光納米金剛石還可以實(shí)現(xiàn)HIV-1RNA的單拷貝檢測，并能使用臨床血漿樣本進(jìn)一步證明。這種超靈敏的量子診斷平臺適用于多種診斷測試形式和疾病，并有可能改變疾病的早期診斷，造福患者和人群。

（a）&（c）熒光納米金剛石（FNDs）的表面修飾與目標(biāo)底物特異性結(jié)合，（b）結(jié)合lock-in算法的納米金剛石與納米金顆粒的信噪比對比

納米尺度超微磁場探測，探測單個核自旋不是夢

在10nm距離處，單個電子的自旋產(chǎn)生大約1mT的磁場，而單個質(zhì)子的相應(yīng)磁場是幾個納特斯拉。能夠以納米空間分辨率檢測此類磁場的傳感器將實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的應(yīng)用，比如檢測來自復(fù)雜生物分子中單個電子或核自旋的磁共振信號或經(jīng)典或編碼到電子/核自旋中量子比特信息的讀出。

傳統(tǒng)靈敏的固態(tài)磁力計(jì)通常使用超導(dǎo)量子干涉或霍爾效應(yīng)等現(xiàn)象來實(shí)現(xiàn)，在2008年，哈佛大學(xué)的研究人員實(shí)現(xiàn)了利用納米金剛石中NV色心進(jìn)行納米尺度下超微磁場的探測。在室溫下通過對NV色心中單個電子的自旋量子位進(jìn)行相干操作，在平均100秒后實(shí)現(xiàn)了在千赫茲頻率下對3nT磁場的檢測，同時(shí)還證明了直徑為30nm的金剛石納米晶體的靈敏度為0.5μTHz-1/2。

磁力計(jì)靈敏度和最小可測量交流磁場的表征；用納米金剛石中的單個NV色心的電子自旋演示磁傳感。

寫在最后

金剛石作為一種稀缺的極限材料，在力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電子學(xué)、量子信息等應(yīng)用領(lǐng)域的優(yōu)異表現(xiàn)是革命性碾壓般的存在，極具研究價(jià)值，而納米金剛石則在低維領(lǐng)域開拓出了屬于自己的疆土。現(xiàn)階段我們對納米金剛石的應(yīng)用還停留在概念實(shí)驗(yàn)階段，解決納米金剛石的高純制備以及科研成果轉(zhuǎn)化實(shí)際生產(chǎn)問題，這一神奇的材料將大力推動人類社會的科技進(jìn)步。材料人