武漢大學研究團隊發現迄今“最剛強”物質

《中國科學報》記者從武漢大學獲悉，2023年4月23日在《先進科學》、2022年7月19日在《物理評論應用》刊登了該校土木建筑工程學院副教授高恩來課題組關于力學性能極限的研究成果。相關研究揭示了材料剛度與強度理論上限，發現迄今最強最韌物質。兩篇論文題目分別為《預測最剛最強材料：接近理論極限的氮化碳原子鏈》與《探索楊氏模量與比楊氏模量邊界》。

楊氏模量與抗拉強度是衡量材料剛度和強度的度量。然而，楊氏模量等力學度量提出兩百年來，理論上限懸而未決，引發了長期的爭議與迷茫。面對這一困境，高恩來課題組首先從化學鍵剛度、取向度、密度的理論極限出發，建立了極致楊氏模量的微觀物理模型，理論推導出極致楊氏模量和比楊氏模量的理論表達式，確定楊氏模量與比楊氏模量的理論上限分別為3 074 GPa和1 036 GPa·g-1·cm3。楊氏模量與聲速、抗拉強度等密切相關。根據楊氏模量的理論上限，課題組進一步理論確定了聲速上限（37 km/s）與抗拉強度上限（抗拉強度384 GPa與比抗拉強度130 GPa·g-1·cm3）。

上述研究確定了楊氏模量等力學性能的理論極限，而現有材料的部分力學性能紀錄與其理論極限相比尚存在巨大落差，這表明力學性能提升尚存在巨大創新研究空間。為此，課題組基于前期數據驅動發現的極致楊氏模量物質結構組分特征，進一步開展固體力學理論設計。他們基于硼、碳、氮等輕質元素組合設計出大量物質結構，從中篩選出多種化學性質穩定、力學性能突破現有紀錄的晶體結構，其中限域線性碳晶體的楊氏模量高達2 973 GPa，接近楊氏模量的理論極限（3 074 GPa），線性氮化碳晶體比楊氏模量和比抗拉強度高達1 032 GPa·g-1·cm3和108 GPa· g-1· cm3，大幅超越金剛石、石墨烯等已知高模量高強度材料，且接近比楊氏模量和比抗拉強度的理論極限（1 036 GPa·g-1·cm3和130 GPa·g-1·cm3）。

相關成果拓展了人類對材料剛度與強度的認知，發現的極限性能物質在國防軍工等尖端領域具有重要應用前景。

（來源：中國科學報）