钻石也能发电：一片五微米薄膜颠覆百年材料学定论

一个多世纪以来，钻石在材料科学教科书中的地位始终明确：它是自然界最硬的材料，拥有卓越的热导率、化学稳定性和绝缘性能，但不具备压电效应——即无法在机械形变时产生电压。

香港大学的一项新发现改写了这一结论。

由工程学院朱志勤教授和林原教授领导的研究团队，在超薄柔性多晶金刚石薄膜中观察到了显著且可重复的压电响应。相关论文发表于《科学进展》。

压电效应的物理基础在于材料内部的结构不对称性。当材料受到外力作用时，正负电荷中心发生微小偏移，产生可被电极采集的电压。石英、氮化铝、钛酸钡等材料均因具备此类不对称结构而被广泛用于传感器和超声换能器。

但天然单晶钻石的晶格结构高度对称，不具备产生净电极化的条件。

港大团队的突破在于换了一种形态。他们利用一种此前开发的边缘剥离技术，制备出厚度约5微米的多晶金刚石薄膜——薄到足以弯曲。

关键正在于"多晶"二字。与单晶不同，多晶金刚石由大量微小晶粒组成，晶粒之间的界面——即晶界——提供了单晶所缺乏的局部不对称性。

第一性原理计算表明，当薄膜发生弯曲形变时，电荷极化在这些不对称晶界处累积，进而产生电位差。

实验数据令人瞩目：在1.4%的弯曲应变下，薄膜产生约70毫伏的电压信号，其电压系数达到82.2 mV·m/N，超过钛酸钡、氮化铝、氮化镓和二硫化钼等多种成熟压电材料。

为排除环境噪声或摩擦电效应的干扰，团队在多种受控条件下进行了大量机械循环测试，确认了结果的可重复性。而当实验对象换成单晶金刚石时，压电效应完全消失，进一步证实多晶结构是这一效应的必要条件。

这一发现不会让订婚戒指给手机充电——需要强调的是，目前的产出仅在毫伏量级。

但它打开的是另一扇门。钻石具有已知材料中罕见的生物相容性：它不引发免疫排斥，不在体液中降解，且具有极高的化学惰性。如果压电效应可以被工程化利用，金刚石薄膜有可能成为植入式医疗传感器、微型能量采集系统和自供电可穿戴设备的理想材料。

在微机电系统领域，钻石此前只能充当支撑其他压电材料的机械基底。这项发现意味着钻石本身也可以参与机电转换，不再仅仅是一个被动的结构件。

当然，从实验室薄膜到商业化器件之间仍有相当距离。如何在保持压电性能的同时实现大面积制备、如何将毫伏级输出提升至实用水平、如何在复杂环境中维持长期稳定性——这些工程问题都尚待解决。

但一个持续了一百多年的"不可能"已经被推翻。在材料科学中，打破禁区本身就是最稀缺的进展。