在地球的中央，數(shù)十億噸重的石塊產(chǎn)生的重壓是大氣層對(duì)地球表面壓力的三百萬(wàn)倍。但是在德國(guó)巴伐利亞北部一個(gè)不起眼的實(shí)驗(yàn)室里，物理學(xué)家娜塔莉亞·杜布羅溫斯凱亞（Natalia Dubrovinskaia）可以用一臺(tái)設(shè)備制造出超過(guò)這一壓力數(shù)倍的力量，而這臺(tái)設(shè)備小到可以用雙手捧起。
　　她在一個(gè)小小的金屬錐體的頂部精確的擰好幾個(gè)螺絲就可以創(chuàng)造出比地心壓力大三倍的力量。讓人驚奇的是，她和她在拜羅伊特大學(xué)的同事們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種超硬材料，可以承受這一巨大的壓力。它的硬度非常高，以至于能夠在金剛石上留下凹痕。而金剛石一直以來(lái)被認(rèn)為是全世界最硬的物質(zhì)。
　　這種新物質(zhì)是現(xiàn)代煉金術(shù)數(shù)十年努力所達(dá)到的成就，科學(xué)家一直以來(lái)都在修改物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)以改變其屬性。其中很多人選錯(cuò)了起點(diǎn)，也有很多人走進(jìn)了死胡同，但是最近的這些成就可能會(huì)帶來(lái)廣泛的影響，從醫(yī)療技術(shù)的突破，到改變我們對(duì)遙遠(yuǎn)世界的認(rèn)識(shí)。
　　人類對(duì)堅(jiān)硬材料的熱愛(ài)可以追溯到遠(yuǎn)古時(shí)期。我們的祖先曾使用堅(jiān)硬的石塊把其他較軟的石塊磨成刀刃。后來(lái)這些石塊逐漸被更加堅(jiān)硬的材料取代，直到2000年前人類發(fā)明了鋼。鋼一度成為人們所知的最堅(jiān)硬的材料，直至18世紀(jì)末科學(xué)家發(fā)現(xiàn)他們可以在工具的表面覆上一層金剛石。
　　雖然金剛石可以制成珠寶，但大多數(shù)金剛石在加工后被制成超硬涂層，把工具和鉆頭包裹起來(lái)，減少磨損。在開(kāi)采業(yè)和石油業(yè)，金剛鉆頭是不可或缺的——沒(méi)有了它，他們便無(wú)法挖到幾百米深的地下獲得有價(jià)值的資源。“超硬涂層的用途多種多樣，從高速切割機(jī)，到深海鉆探，到天然氣和石油勘探，到生物醫(yī)藥的應(yīng)用,”北卡羅來(lái)納州立大學(xué)的材料科學(xué)講席教授賈格迪什·納拉楊（Jagdish Narayan）說(shuō)。
　　要理解一種材料堅(jiān)硬的原因，就需要研究它的晶體的原子結(jié)構(gòu)。
　　構(gòu)成金剛石的碳原子也是柔軟的石墨的成分，石墨可以制成鉛筆芯。而這兩種碳材料的不同之處在于原子排列方式的不同。在石墨中，碳原子以平面六邊形層層排列，每一層之間的化學(xué)鍵較弱。
　　而在金剛石中，碳原子以四面體的形式緊緊相連，這種形狀非常牢固。再加上碳原子之間牢固的化學(xué)鍵，金剛石就變得非常堅(jiān)硬。
“金剛石”這個(gè)詞本身來(lái)自于古希臘語(yǔ)adámas，意思是堅(jiān)不可摧。不過(guò)，當(dāng)壓力達(dá)到一定大小時(shí)，金剛石也會(huì)碎裂，晶體結(jié)構(gòu)中的小瑕疵也會(huì)讓它變?nèi)?，使得金剛石容易解體。
　　對(duì)科學(xué)家來(lái)說(shuō)，這會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題——如果你在研究材料的特點(diǎn)時(shí)需要使用很高的壓力，而地球上自然產(chǎn)生的最堅(jiān)硬的材料都無(wú)法承受這一壓力，這時(shí)該怎么辦？你需要找更加堅(jiān)硬的東西。 　　錯(cuò)誤的希望
　　無(wú)怪乎超硬材料的研究是以嘗試復(fù)制金剛石的結(jié)構(gòu)開(kāi)始，不過(guò)只有少數(shù)幾種元素可以形成金剛石的化學(xué)鍵。
　　其中之一就是氮化硼。它和碳一樣，是多形的，氮原子和硼原子可以代替碳原子構(gòu)成類似金剛石的結(jié)構(gòu)。1957年科學(xué)家制造出氮化硼立方體，一開(kāi)始據(jù)稱它可以在鉆石上造成擦痕，不過(guò)很快美夢(mèng)就變成泡影，試驗(yàn)表明它的硬度還不及金剛石的一半。
　　接下來(lái)的幾十年，科學(xué)家通過(guò)多種方式在這三種元素之間建立化學(xué)鍵——氮、硼和碳——但都沒(méi)有取得成功。1972年，科學(xué)家終于用這種材料制造出薄膜，其結(jié)構(gòu)類似于金剛石，但是缺點(diǎn)是它的制作需要復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)以及很高的溫度。直到2001年，位于基輔的烏克蘭國(guó)家科學(xué)院（National Academy of Sciences of Ukraine）的研究人員與他們?cè)诜▏?guó)和德國(guó)的同事才共同制作出類似金剛石的硼碳氮。雖然這種新材料的硬度超過(guò)了氮化硼立方體，但還是略遜于金剛石。
　　七年前，內(nèi)華達(dá)大學(xué)的物理學(xué)家陳長(zhǎng)風(fēng)（音譯）和他在上海交通大學(xué)的同事認(rèn)為他們找到了比金剛石更加堅(jiān)硬的東西。根據(jù)他們的計(jì)算，一種奇怪的六角形氮化硼（也被稱為纖鋅礦型氮化硼）的硬度超過(guò)金剛石18%。這種稀有的材料具有和金剛石的四面體、氮化硼立方體類似的結(jié)構(gòu)，區(qū)別在化學(xué)鍵的角度不同。計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)表明在高壓下，這些化學(xué)鍵具有靈活性，會(huì)調(diào)整到90度角以釋放壓力。
　　雖然金剛石的化學(xué)鍵在遇到壓力時(shí)也有類似的應(yīng)對(duì)方式，但是纖鋅礦型氮化硼在高壓環(huán)境下的硬度會(huì)增強(qiáng)80%。但讓人意外的是，纖鋅礦型氮化硼的制造過(guò)程相當(dāng)危險(xiǎn)——它只會(huì)在天然的火山噴發(fā)的高溫高壓環(huán)境下產(chǎn)生，人工合成就必須模仿爆炸的環(huán)境。要想獲得足量的纖鋅礦型氮化硼就變得非常困難，而且這還有待更多的試驗(yàn)。另一種相關(guān)物質(zhì)六方金剛石（lonsdaleite）的研究也遭遇了類似的困境?！　　　?br /> 　　這種材料能承受的壓力超過(guò)金剛石58%。 　　近幾年我們終于迎來(lái)突破。2015年，賈格迪什·納拉楊和他在北卡羅萊納州立大學(xué)的同事們?nèi)诨朔蔷w結(jié)構(gòu)的碳，制成一種帶有快速激光脈沖的玻璃碳。制作方法是把它加熱到攝氏3700度后快速冷卻。這種冷卻的方法賦予了它另一個(gè)名稱，即Q-Carbon。這是一種奇怪的、但非常堅(jiān)硬的新碳相。和其他碳相不同的是，它具有磁力，接觸到光線時(shí)還會(huì)發(fā)光。
　　這種材料的結(jié)構(gòu)主要由類似金剛石的化學(xué)鍵和10%到15%的類似石墨的化學(xué)鍵組成。研究團(tuán)隊(duì)的測(cè)試表明Q-carbon至少比鉆石硬60%，不過(guò)尚未最終確認(rèn)。真正的硬度測(cè)試需要用比它更堅(jiān)硬材料在它上面鉆洞。當(dāng)使用兩枚金剛鉆頭擠壓Q-carbon樣品時(shí)，鉆頭發(fā)生變形。納拉楊說(shuō)。
　　正在此時(shí)杜布羅溫斯凱亞鐵砧才登場(chǎng)亮相。她的新材料是一種被稱為納米晶體金剛球的獨(dú)特碳相。它不是像訂婚鉆戒所用的鉆石那樣的單晶體結(jié)構(gòu)，而是大量小晶體的結(jié)構(gòu)——每個(gè)晶體的大小僅為發(fā)絲寬度的11000分之一——它們通過(guò)石墨的層狀結(jié)構(gòu)連接。這種諾貝爾獎(jiǎng)水平的奇妙材料的厚度僅為一個(gè)碳原子。
　　金剛石在1200億帕的壓強(qiáng)下會(huì)碎裂，而這種新材料能夠承受至少4600億帕。當(dāng)把多層新材料壓到一起產(chǎn)生10000億帕的高壓時(shí)，它也不會(huì)破損。這種小球體已經(jīng)是地球上已知的最硬的東西。打個(gè)比方，這相當(dāng)于3000頭成年非洲象站在一只高跟鞋的細(xì)跟上。“這是所有已知的超硬材料中最硬的材料，它能在其他所有材料上壓出痕跡來(lái)。” 杜布羅溫斯凱亞說(shuō)。
　　這些納米晶體金剛球體還是透明的，研究人員可以把它們當(dāng)作微小的透鏡，用X光來(lái)觀察被擠壓的材料。“我們可以通過(guò)它來(lái)觀察被擠壓的材料會(huì)發(fā)生什么變化。” 杜布羅溫斯凱亞說(shuō)，“超高壓為加深對(duì)物質(zhì)的理解打開(kāi)了新的視野。”
　　杜布羅溫斯凱亞和她的同時(shí)已經(jīng)憑借這種材料對(duì)鋨進(jìn)行了研究。鋨是抗壓能力很強(qiáng)的一種金屬。他們發(fā)現(xiàn)，鋨能夠承受超過(guò)7500億帕的擠壓力。當(dāng)達(dá)到這個(gè)壓力時(shí)，金屬原子內(nèi)部原來(lái)緊緊相連的電子和質(zhì)子開(kāi)始發(fā)生互動(dòng)。研究人員認(rèn)為，這種更奇怪的現(xiàn)象可能導(dǎo)致金屬?gòu)墓虘B(tài)變成未知的物質(zhì)狀態(tài)。他們希望未來(lái)能夠研究這會(huì)給鋨帶來(lái)什么屬性。
　　這些超硬的納米金剛石已經(jīng)超越了提供新的堅(jiān)硬邊緣以切割石塊和金屬的功能。粉末狀的納米金剛石可用于化妝工業(yè)，它具有高度的吸附性，可以和活性物質(zhì)結(jié)合。它們很容易被皮膚吸收，這樣就把活性物質(zhì)帶入皮膚。醫(yī)藥工業(yè)也開(kāi)始研究其用途，比如它可以把藥物帶入化療難以觸及的人體的一些部位。研究還表明納米金剛石可以促進(jìn)骨骼和軟骨的生長(zhǎng)。 　　該研究最深遠(yuǎn)的影響是有可能解開(kāi)太陽(yáng)系的一些謎團(tuán)。下個(gè)月將舉行國(guó)際專家會(huì)議，會(huì)上將討論這些新的可能性。通常認(rèn)為地球中心的壓力最高為3600億帕，而圍繞太陽(yáng)系公轉(zhuǎn)的最大的行星——木星，其中心壓力為45000億帕。
　　在這樣的壓力下，元素會(huì)發(fā)生奇怪的變化。比如氮——地球上一種平常的氣體——會(huì)變得像金屬一樣，并開(kāi)始具有導(dǎo)電性。杜布羅溫斯凱亞和杜布羅溫斯基（Dubrovinsky）希望他們的超硬金剛石能夠幫助我們創(chuàng)造宇宙中的這些環(huán)境。“我們可以開(kāi)始模擬巨大行星或太陽(yáng)系外的超級(jí)地球的內(nèi)部環(huán)境。” 杜布羅溫斯凱亞說(shuō)，“我覺(jué)得更讓人驚奇的是讓我們做到這件事的設(shè)備小到可以雙手捧住。”
　　（本文作者By Richard Gray；文章發(fā)表于2016年8月16日BBC網(wǎng)站。文章主要內(nèi)容由“英倫網(wǎng)”翻譯，部分內(nèi)容由中國(guó)超硬材料網(wǎng)翻譯。）
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