比金刚石还硬的物质有哪些

在谈及最硬的物质时，很多人脑海中可能会浮现出的便是象征着爱情和忠贞，同时也身价不菲的钻石。钻石之所以能以其坚硬闻名，主要是因为其晶体结构的规律性排列，这种结构赋予了它坚不可摧的品质。钻石也有其脆弱之处，在遭遇撞击时容易发生碎裂。

而在地球内部深处，高达150千米的地下，岩石在高温高压的环境下部分熔化。那里的温度超过一千摄氏度，压力更是相当于地表的五万倍。在这样的炼炉般的环境中，自然界发生了一场令人惊叹的转变。经过数亿年的漫长岁月，平凡无奇的六边形石墨晶体逐渐转变为晶莹剔透的天然金刚石，也就是我们所熟知的钻石。这不仅见证了无数幸福婚姻的瞬间，也是自然界中最为坚硬的物质之一。

金刚石之所以如此坚硬，究其原因是其独特的分子结构。每个碳原子在金刚石中采用sp3杂化方式，与其他四个碳原子的价电子结合形成共价键，构建了稳固的立体结构。这种紧密的结构赋予了金刚石极高的硬度。由于所有价电子都参与了共价键的形成，没有自由电子存在，金刚石具有独特的晶体结构，表现出非导电性。

尽管钻石是自然界中硬度极高的物质，但如果你尝试将女朋友的钻戒摔向地面，你可能会发现钻石出现了裂缝甚至破碎。这是因为钻石虽然硬度高却较为脆弱，遇到撞击时容易碎裂。这主要归因于钻石的原子晶体结构：金刚石晶体由周期性重复排列的结构单元组成，这种有序性使得不同朝向的晶体结构各异，导致硬度呈现各向异性。那些相对“较软”的晶面就成为了钻石的“软肋”。

在材料科学领域，与“晶体”相对应的概念便是“玻璃”。与有序的晶体不同，玻璃态是一种非晶体材料，具有相对无序的结构，仅在几个原子的小区域内呈现出短程有序性。这种看似混乱的结构实则蕴一定的秩序性，会引发怎样的奇特性能呢？

最近的一项研究，发表在《科学评论》杂志上，来自燕山大学的研究团队创造了一种全新的玻璃材料。这种材料不仅硬度超过了金刚石，还具备金刚石所没有的韧性和半导体特性。

田永君院士领导的研究团队一直在超硬材料领域深耕。这次他们选择了富勒烯作为原材料。富勒烯的碳原子结构规整、具有高度对称性，使得它在一定的温度和压力下能够发生结构转变。研究团队利用高温高压的条件富勒烯的晶体结构，促使其碳原子从sp2杂化向sp3杂化转变。他们的目标是通过解构再重建的过程，得到一种结构无序但具备独特性能的玻璃态材料。

随着温度的升高和压力的增大，富勒烯的晶体结构逐渐瓦解，最终转变为玻璃态。令人意想不到的是，在更高的温度下，这种材料出现了与金刚石截然不同的衍射峰，表明其结构的转变和sp3杂化碳的增加。当温度持续升高时，sp3杂化的比例越来越高，材料的密度也随之增大。这种新型玻璃态材料在高分辨率透射电镜下显示出逐渐降低的混乱度和升高的秩序性。

除了超高的硬度外，这种新型玻璃态材料AM-III的强度也能与金刚石相媲美。它的力学性质测定显示维氏硬度高达~113GPa，甚至可以刻划单晶金刚石晶面。更重要的是，AM-III作为一种新型玻璃材料完美解决了超硬晶体韧性不足的问题。它的高硬度在材料内部各个方向都基本一致，具有各向。

除了出色的力学性质外，AM-III还是半导体。它的带隙与常用的半导体非晶硅薄膜相当，这使得这种结合了优越力学性能和半导体性能的新型玻璃在光伏领域具有巨大的潜力。

这项研究不仅展示了超硬玻璃的可能性，还揭示了利用混乱中的秩序创造奇迹的科学原理。科学家通过逐步解构晶体结构、形成新的化学键最终得到具有独特秩序的混乱结构的玻璃态材料。这样的创新尝试为未来的材料科学研究提供了新的思路。随着对这种新型玻璃材料的深入研究，它可能会在各个领域带来性的突破和广泛的应用前景。