中科院院士田永君：他造出比钻石还硬的“中国晶体”，终结了百年材料神话

【开篇悬念】

当你凝视着钻石戒指闪耀的光芒时，可能不知道，在中国北方的实验室里，一种比钻石更坚硬的“幽灵材料”已被制造出来。它没有璀璨的火彩，却能让切割机刀头寿命延长十倍，让深海钻探如切豆腐——它的创造者，就是中科院院士田永君。这位

“超硬材料之王”

，用二十年时间挑战了材料学的终极定律，让中国在“最强材料”的竞赛中一举登顶。今天，带你认识这位

“硬度极限”的破壁人

，看他如何从原子排列中，改写人类对“坚硬”的定义。

💎 一、颠覆教科书的神来之笔：“自然界最硬”的金刚石？他说“我们可以更硬！”

“田教授，所有教科书都写着金刚石是自然界最硬的物质，您为什么要挑战这个真理？”

2005年，燕山大学的实验室里，面对同行善意的提醒，田永君指着电子显微镜屏幕上的原子图像：“看看这个结构——如果自然界的排列已经最优，那材料科学的使命就该终结了。但我们相信，人类能设计出自然界不存在的‘更优解’。”

一场撼动材料学根基的“思想实验”

：

传统理论认为，硬度存在理论极限，而金刚石（钻石）已接近这个极限。田永君带领团队另辟蹊径：

提出“非公度结构”新范式

：跳出寻找单一超硬相的思路，设计出多种超硬相在纳米尺度共生、协同的复合结构；

发明“界面共格”技术

：让不同硬质相在界面处原子完美匹配，消除薄弱环节，实现“1+1>2”的力学性能；

创造“纳米孪晶”金刚石

：合成出具有极高密度纳米孪晶结构的金刚石材料，其硬度、韧性、热稳定性

三项核心指标同时超越天然钻石

。

当这项成果在《自然》杂志发表时，国际学术界惊呼“不可思议”。美国卡内基研究所高压实验室主任评价：“

田的团队打开了超硬材料设计的新维度，他们不是在追赶，而是在定义新的极限。

”

⚙️ 二、“工业牙齿”的革命：他的材料，让中国高端制造不再“啃不动”

超硬材料是高端制造的“牙齿”——从精密加工、油气钻探到国防装备，无处不需。曾几何时，我国高端切削刀具与钻头严重依赖进口，价格高昂且受制于人。

田永君的目标很直接：“我们要做出让中国机床‘啃得动’任何硬骨头的‘中国牙”。

攻克“刀具寿命”瓶颈

：其团队研发的纳米孪晶立方氮化硼刀具，在加工淬硬钢等难加工材料时，寿命达到进口高端产品的

3-5倍

，价格却降低30%；

破解“深地钻探”难题

：为万米科学钻探工程定制超硬复合材料钻头，在极端地质条件下表现优异，助力我国向地球深部进军；

赋能“半导体加工”

：新一代超精细切割刃具，为硅片、碳化硅晶圆的切片划片提供关键支撑。

“材料不强，制造必弱。”他在中国制造2025高峰论坛上说，“

我们的工作，就是为高端制造装上最锋利的‘中国齿’，让它撕开一切技术封锁。

”

🔬 三、实验室里的“极限锻造”：在2000℃与10万个大气压下“驯服”碳原子

合成超硬材料如同在微观世界进行“极限锻造”。田永君团队的“法宝”是大腔体压机——能在微小空间内创造堪比地心深处的极端环境。

“每一次合成，都像一次微型的星球诞生。”他这样描述。

一场与高温高压共舞的冒险

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“配方”试错上千次

：为找到最佳的元素配比与合成路径，团队进行了超过1500次实验，积累了独一无二的工艺数据库；

“火候”精确到秒

：温度、压力、时间的控制精细入微，一个参数的细微偏差就可能导致前功尽弃；

最激动人心的时刻

：当第一片闪烁着金属光泽的纳米孪晶立方氮化硼被取出，测试仪显示硬度值超越所有已知材料时，整个实验室沸腾了。“那一刻，我们知道，我们触摸到了未来。”

🚀 四、从“跟跑”到“领跑”：他构建的超硬材料基因库，正在孵化下一代奇迹

田永君的眼光不止于当下。他主导建设的

“超硬材料设计与性能预测”平台

，正从根源上改变材料研发模式：

计算驱动发现

：通过高通量计算与人工智能，预测具有潜力的新成分、新结构，极大缩短研发周期；

建立“性能地图”

：绘制出硬度、韧性、热稳定性等性能的全局图谱，像“导航”一样指导新材料合成；

布局“未来材料”

：探索在超高压下可能出现的全新物态与性质，为量子信息、极端环境器件储备材料基础。

“以前我们是‘炒菜式’研发，碰运气。现在我们是‘按图索骥’，主动设计。”他说，“

这是中国超硬材料从‘技艺’走向‘科学’的关键一步。

”

🧑🏫 五、院士的“硬度哲学”：把材料科学讲成“微观建筑学”，让高中生着迷

为了让艰深的材料学“落地”，田永君成了最生动的“科学建筑师”：

讲纳米孪晶结构，他比喻：“

就像用无数微小的‘俄罗斯套娃’搭建城墙，外力来了，能量被层层吸收、分散，墙既硬又不脆。

”

解释超硬原理，他说：“

本质是让原子之间的‘手’拉得更紧、网络更复杂，让任何试图掰开它们的外力都无功而返。

”

金句频出：

“追求极致硬度的过程，是人类不断挑战自我认知边界、拓展物质世界疆域的缩影。”

他的科普报告《硬度的奥秘》在中小学生中圈粉无数，有孩子写信说：“田爷爷，我以后也想在原子世界里盖最坚固的‘房子’！”

🔩 【田永君的“创新心法”】：突破认知边界的5个关键动作

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敢于“质疑常识”

：对教科书中的“定论”保持审慎的批判性思维，常识往往是上一代认知的边界

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坚持“性能导向”

：从实际应用面临的极限性能需求出发，反向推导材料应该具备的微观结构

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善用“跨尺度设计”

：将原子尺度的化学键、纳米尺度的界面、微米尺度的组织进行一体化协同设计

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拥抱“极端条件”

：将极端高压、高温等视为创造新物质、新状态的“创新工具箱”，而非障碍

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建立“理论-计算-实验”闭环

：让理论预测、计算机模拟与实验验证紧密互动，加速探索进程

🌌 结语：一位“硬核”科学家的软实力

“常被问：您一辈子研究‘硬’东西，不觉得枯燥吗？”田永君从展示柜中取出一块其貌不扬的灰黑色样品，又指向窗外车水马龙的城市。

“你看，每一辆汽车的发动机缸体、每一座大桥的缆索、每一部手机的芯片，它们的诞生都离不开‘硬’材料的加工。

我们研究的‘硬’，支撑着整个现代文明的‘软’——便捷、高效与安全。

”

如今，他领衔的

“亚稳材料制备技术与科学”国家重点实验室

，已成为全球超硬材料研究的重镇。最新消息，团队在

高性能超硬材料的设计理论与可控制备

上再获突破，为新一代高端装备提供了关键材料选项。

“材料的边疆永无止境。”他说，“

我们的使命，就是不断将‘不可能’变成‘可能’，将‘理论极限’一次次刷新，让中国制造的基础，坚不可摧。

”

#硬核突破互动#

你接触过超硬材料吗？（如金刚石刀具、磨料）或者你对“未来材料”有什么天马行空的想象？

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，点赞前5名将有可能获得田永君院士推荐的《探索硬度极限》科普电子书+ 有机会获得“超硬材料”微观结构艺术画册（数字版）！