武漢大學(xué)研究團隊發(fā)現(xiàn)迄今“最剛強”物質(zhì)

《中國科學(xué)報》記者從武漢大學(xué)獲悉，2023年4月23日在《先進科學(xué)》、2022年7月19日在《物理評論應(yīng)用》刊登了該校土木建筑工程學(xué)院副教授高恩來課題組關(guān)于力學(xué)性能極限的研究成果。相關(guān)研究揭示了材料剛度與強度理論上限，發(fā)現(xiàn)迄今最強最韌物質(zhì)。兩篇論文題目分別為《預(yù)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(xué)度量提出兩百年來，理論上限懸而未決，引發(fā)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(xué)鍵剛度、取向度、密度的理論極限出發(fā)，建立了極致楊氏模量的微觀物理模型，理論推導(dǎo)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(guān)。根據(jù)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(xué)性能的理論極限，而現(xiàn)有材料的部分力學(xué)性能紀(jì)錄與其理論極限相比尚存在巨大落差，這表明力學(xué)性能提升尚存在巨大創(chuàng)新研究空間。為此，課題組基于前期數(shù)據(jù)驅(qū)動發(fā)現(xiàn)的極致楊氏模量物質(zhì)結(jié)構(gòu)組分特征，進一步開展固體力學(xué)理論設(shè)計。他們基于硼、碳、氮等輕質(zhì)元素組合設(shè)計出大量物質(zhì)結(jié)構(gòu)，從中篩選出多種化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、力學(xué)性能突破現(xiàn)有紀(jì)錄的晶體結(jié)構(gòu)，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(guān)成果拓展了人類對材料剛度與強度的認(rèn)知，發(fā)現(xiàn)的極限性能物質(zhì)在國防軍工等尖端領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。

（來源：中國科學(xué)報）