高恩来课题组确定模量强度理论上限并发现迄今最刚最强物质

近期，《先进科学》(Advanced Science，IF：17.52)与《物理评论应用》(Physical Review Applied)刊登了土木建筑工程学院副教授高恩来课题组关于力学性能极限的研究成果。相关研究揭示了材料刚度与强度理论上限，发现迄今最强最韧物质。

两篇论文题目分别为“预测最刚最强材料：接近理论极限的氮化碳原子链” (The Stiffest and Strongest Predicted Material: C2N Atomic Chains Approach the Theoretical Limits)与“探索杨氏模量与比杨氏模量边界”(Exploring the Bounds on the Young’s Modulus and Gravimetric Young’s Modulus)。高恩来为两篇论文的第一作者及共同通讯作者。论文的其他共同作者包括武汉大学硕士生袁笑昂、杨航、郭雍哲，以及美国德克萨斯大学达拉斯分校教授Steven Nielsen和Ray Baughman。武汉大学为论文的第一署名单位和通讯单位。

杨氏模量与抗拉强度是衡量材料刚度和强度的度量。然而，杨氏模量等力学度量提出两百年来，理论上限悬而未决，引发了长期的争议与迷茫。高恩来课题组首先从化学键刚度、取向度、密度的理论极限出发，建立了极致杨氏模量的微观物理模型，理论推导出极致杨氏模量和比杨氏模量的理论表达式，确定杨氏模量与比杨氏模量的理论上限分别为3074 GPa和1036 GPa·g-1·cm3。杨氏模量与声速、抗拉强度等密切相关。根据杨氏模量的理论上限，课题组进一步理论确定了声速上限(37 km/s)与抗拉强度上限(抗拉强度384GPa与比抗拉强度130 GPa·g-1·cm3)。

上述研究确定了杨氏模量等力学性能的理论极限，而现有材料的部分力学性能纪录与其理论极限相比尚存在巨大落差，这表明力学性能提升尚存在巨大创新研究空间。为此，课题组基于前期数据驱动发现的极致杨氏模量物质结构组分特征(Chem. Mater., 2021, 33: 1276)，进一步开展固体力学理论设计。他们基于硼、碳、氮等轻质元素组合设计出大量物质结构，从中筛选出多种化学性质稳定、力学性能突破现有纪录的晶体结构，其中限域线性碳晶体的杨氏模量高达2973 GPa，接近于杨氏模量的理论极限(3074 GPa)，线性氮化碳晶体比杨氏模量和比抗拉强度高达1032 GPa·g-1·cm3和108 GPa·g-1·cm3，大幅超越金刚石、石墨烯等已知高模量高强度材料，且接近于比杨氏模量和比抗拉强度的理论极限(1036 GPa·g-1·cm3和130 GPa·g-1·cm3)。相关成果拓展了人类对材料刚度与强度的认知，发现的极限性能物质在国防军工等尖端领域具有重要应用前景。

论文一链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202204884

论文二链接：https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.18.014044