提到地球上最堅(jiān)硬的材料，大多數(shù)人的回答可能都是鉆石。鉆石的名字來(lái)來(lái)源于希臘語(yǔ)，意思是“牢不可破”或“無(wú)敵”，英文里這個(gè)詞的意思是“堅(jiān)硬的東西”。鉆石的硬度賦予它無(wú)以倫比的切割能力，而且它還具有高“顏值”，這使得鉆石在千百年的時(shí)間里一直備受推崇。
　　現(xiàn)代科學(xué)家們已經(jīng)花了數(shù)十年時(shí)間來(lái)尋找更加廉價(jià)、堅(jiān)硬和更實(shí)用的替代品，每隔幾年就會(huì)有新聞爆出：創(chuàng)造了一種新的“世界上最堅(jiān)硬的物質(zhì)”。但是這些挑戰(zhàn)者真的成功了嗎?
　　雖然說(shuō)鉆石光彩奪目，但本質(zhì)上來(lái)講，它僅僅是一種特殊形態(tài)或稱為碳的“同素異形體”。碳家族有幾種同素異形體，包括碳納米管、無(wú)定形碳、鉆石和石墨。所有這些物質(zhì)都是由碳原子構(gòu)成的，但是他們之間的原子鍵類型不同，從而導(dǎo)致不同的材料結(jié)構(gòu)和特性。
　　每一個(gè)碳原子的最外層都有四個(gè)電子。在鉆石中，這些電子與其它四個(gè)碳原子共享，形成非常強(qiáng)大的化學(xué)鍵，造就了鉆石非常堅(jiān)固的四面體晶體結(jié)構(gòu)。就是這樣一種簡(jiǎn)單的、致密的結(jié)構(gòu)使得鉆石成為地球上最堅(jiān)硬的物質(zhì)。

　　到底有多堅(jiān)硬?
　　硬度是材料的一個(gè)重要特性，這往往決定了它們的用武之地在何處，但是硬度又很難定義。對(duì)于物質(zhì)來(lái)說(shuō)，劃痕硬度用于衡量物質(zhì)硬度，用另一種礦物劃過(guò)物質(zhì)表面，根據(jù)劃痕確定該物質(zhì)的軟硬。
　　還有幾種測(cè)量硬度的方法，通常使用儀器來(lái)將材料表面局部塑性變形，塑性變形的面積與壓力載荷的比值用來(lái)比較被測(cè)材料的軟硬。材料越硬，比值越大。維氏硬度也是根據(jù)壓痕單位面積上的載荷來(lái)計(jì)算硬度值。所不同的是維氏硬度試驗(yàn)的壓頭是金剛石的正四棱錐體。
　　低碳鋼具有的維氏硬度值約為9GPa，鉆石的維氏硬度約為70–100GPa。鉆石的耐磨性是世界上絕無(wú)僅有的，今天世界上70%的天然鉆石都用來(lái)制造用于切削，鉆井和磨削，或作為磨料磨具添加劑等工具的耐磨涂層。
　　鉆石也不是完美的，雖然它很堅(jiān)硬，但也非常不穩(wěn)定。當(dāng)鉆石在空氣中加熱到800攝氏度以上時(shí)，其化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，這會(huì)影響其強(qiáng)度而且能讓它與鐵反發(fā)生應(yīng)，使得它不適合于加工鋼。
　　這些方面限制了它的應(yīng)用，因此科學(xué)家們一直在開(kāi)發(fā)新的、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)的、超硬材料作為替代品。更好的耐磨涂層能夠讓工業(yè)工具減少更換磨損零件，延長(zhǎng)其使用時(shí)間，以及降低對(duì)污染環(huán)境的冷卻劑的需求。迄今為止，科學(xué)家們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出鉆石的幾個(gè)潛在競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。
　　氮化硼
　　合成材料氮化硼，誕生于1957年，與碳類似，它也有幾種同素異形體。立方氮化硼(c-BN)與鉆石具有相同的晶體結(jié)構(gòu)，但它不包含碳原子，而是由硼和氮原子構(gòu)成的晶體結(jié)構(gòu)。立方氮化硼具有化學(xué)和熱穩(wěn)定性，目前，作為超硬機(jī)械工具涂層，主要用于汽車和航空工業(yè)領(lǐng)域。
　　但是，目前立方氮化硼充其量只是世界上第二堅(jiān)硬的材料，它的維氏硬度約為50GPa。纖鋅礦氮化硼(w-BN)最初被認(rèn)為比鉆石更堅(jiān)硬，這個(gè)結(jié)論是基于理論模擬的結(jié)果(預(yù)測(cè)它的壓痕強(qiáng)度比鉆石高18%)。不幸的是，w-BN在自然界中非常稀有，而且很難開(kāi)發(fā)出足夠的量來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試這種主張。
　　人造鉆石
　　有關(guān)人造鉆石的報(bào)道，自20世紀(jì)50年代以來(lái)就不絕于耳，因?yàn)榫w結(jié)構(gòu)不同，所以它比天然鉆石要硬。人造鉆石的制造方法是，將石墨置于高溫高壓環(huán)境下，其碳原子會(huì)重新排布從而形成新的鉆石，但這個(gè)過(guò)程非常耗時(shí)而且價(jià)格昂貴。另一種制造方法是，從加熱的烴類氣體中提取碳原子，但是這種基材的用途有限。
　　人造鉆石是多晶結(jié)構(gòu)，是一種由幾微米到幾納米大小的微晶體和“晶粒”結(jié)晶聚合而成的多結(jié)晶鉆石。與大多數(shù)用于加工首飾的大的單晶體結(jié)構(gòu)不同。晶粒尺寸越小，晶界越大，材料也就越堅(jiān)硬。對(duì)于人造鉆石的最新研究表明，它的維氏硬度高達(dá)200GPa。
　　Q-carbon
　　最近，北卡羅來(lái)納州立大學(xué)的研究人員創(chuàng)造了一種新形態(tài)的碳，不同于其它的同素異形體，這種材料比鉆石還硬。這種新材料是用高能快速激光脈沖將非晶碳加熱到3700°C，然后迅速冷卻或“淬火”，形成微米大小的鉆石，由此得名“Q-carbon”。
　　科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)Q-carbon比類金剛石膜(一種無(wú)定形碳，與鉆石的特性相似)的硬度高60%。這讓科學(xué)家們很期待Q-carbon和鉆石的硬度較量結(jié)果，雖然這仍需實(shí)驗(yàn)證明。Q-carbon有些獨(dú)特的性質(zhì)，它具有磁性，哪怕暴露在較低的能量下，它也會(huì)閃閃發(fā)光。但是，到目前為止，它只是用于常溫常壓下生產(chǎn)微小人造鉆石的一個(gè)中間步驟。這些納米鉆石尺寸太小沒(méi)法做成珠寶，但作為切割和拋光工具的廉價(jià)涂層材料卻是理想之選。