超硬材料在制備優(yōu)異抗劃傷涂層方面具有良好的應(yīng)用潛力，能對(duì)昂貴的設(shè)備起到更好的保護(hù)效果。目前，科技人員已具備開發(fā)這種超硬新型材料的能力。

計(jì)算技術(shù)進(jìn)一步提高了對(duì)碳結(jié)構(gòu)形態(tài)的認(rèn)知

研究人員借助計(jì)算技術(shù)已識(shí)別了43種以前未知的碳結(jié)構(gòu)形態(tài)，這些碳結(jié)構(gòu)形態(tài)具有穩(wěn)定而超硬的性能，其中有些碳結(jié)構(gòu)形態(tài)的硬度與鉆石相當(dāng)，甚至更硬。這些碳結(jié)構(gòu)形態(tài)都是由碳原子組成，且具有獨(dú)特的晶格排列結(jié)構(gòu)。而且，研究人員借助計(jì)算推演技術(shù)與機(jī)器智能學(xué)習(xí)模型相結(jié)合的方法來尋找新型材料。這是一項(xiàng)理論性研究工作，以此推算出新的碳結(jié)構(gòu)，還有待于將它制造出來。美國布法羅大學(xué)的化學(xué)教授伊萬·楚雷克博士表示，“鉆石是目前市面上最堅(jiān)硬的材料，但它們非常昂貴。我的同事在實(shí)驗(yàn)室做高壓實(shí)驗(yàn)，使用鉆石進(jìn)行材料擠壓試驗(yàn)。他們抱怨鉆石破裂的代價(jià)太大。我們?cè)噲D找到比鉆石更硬、更便宜的材料，而且可能還具有一些鉆石沒有的特性，如在熱性能、電性能方面等?！毙虏牧涎芯宽?xiàng)目由提出，并與美國杜克大學(xué)機(jī)械工程和材料科學(xué)教授斯特凡諾·庫塔諾羅博士共同負(fù)責(zé)開展工作。

超硬材料的特性

科學(xué)界認(rèn)為，在維氏硬度測(cè)試中如果一種材料的硬度值超過40吉帕斯卡，則認(rèn)為該材料是超硬的。上述研究的所有43種新碳結(jié)構(gòu)材料估計(jì)都達(dá)到這個(gè)硬度值，有3種略高于鉆石的維氏硬度，伊萬·楚雷克博士同時(shí)指出，計(jì)算中還存在一些不確定性。研究發(fā)現(xiàn)，最堅(jiān)硬材料的結(jié)構(gòu)一般具有鉆石和六方碳晶格結(jié)構(gòu)。除了上述43種新型碳結(jié)構(gòu)形態(tài)以外，該研究還指出，其他研究團(tuán)隊(duì)之前報(bào)道過的一些碳結(jié)構(gòu)形態(tài)也具有超硬特性。

超硬材料研發(fā)提速

近期的一篇研究論文指出，新技術(shù)的應(yīng)用有助于識(shí)別其他超硬材料，如包括那些含有碳元素以外的材料。伊萬·楚雷克博士表示，“超硬材料種類目前還很稀缺，因此尋找新型超硬材料非常有意義。關(guān)于超硬材料，我們所了解的其中一點(diǎn)是鍵合非常牢固，如牢固的碳-碳鍵。這也是我們研究碳元素的原因。超硬材料中的其他元素通常也來自元素周期表的同一列，如硼和氮?！睘榱碎_展這項(xiàng)研究，研究人員采用了XtalOpt（一種在伊萬·楚雷克實(shí)驗(yàn)室中開發(fā)的用于晶格預(yù)測(cè)的開源推演運(yùn)算法）來生成碳的隨機(jī)晶體結(jié)構(gòu)。然后，研究小組采用了機(jī)器智能學(xué)習(xí)模型來預(yù)測(cè)這些碳材料的硬度。同時(shí)，將最具代表性的超硬穩(wěn)定結(jié)構(gòu)材料作為“母本”，以此推演出更多新型結(jié)構(gòu)。

利用AFLOW數(shù)據(jù)庫模塊把機(jī)器智能學(xué)習(xí)模型對(duì)硬度的估測(cè)結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算。該數(shù)據(jù)庫模塊擁有大量的材料及其性能計(jì)算數(shù)據(jù)群。斯特凡諾·庫塔諾羅博士的實(shí)驗(yàn)室就采用AFLOW以及先前與美國北卡羅來納大學(xué)的亞歷山大·伊塞耶夫研究團(tuán)隊(duì)共同開發(fā)的機(jī)器智能學(xué)習(xí)模型。斯特凡諾·庫塔諾羅博士表示，“盡管對(duì)新型材料的研發(fā)已經(jīng)提速，但還是需要時(shí)間積累的。而AFLOW和機(jī)器智能學(xué)習(xí)模型的利用有助于我們研發(fā)進(jìn)程的進(jìn)一步提速?！?/p>

美國杜克大學(xué)機(jī)械工程和材料科學(xué)助理研究員Cormac Toher博士，也是論文的作者之一表示，“您可以采用計(jì)算技術(shù)來預(yù)測(cè)出最佳材料，并試驗(yàn)性地制造出這些材料。”上述研究論文的第一和第二作者分別是布法羅大學(xué)的博士研究生帕特里克·艾弗里和王曉宇，他們都是伊萬·楚雷克實(shí)驗(yàn)室人員。

另外，超硬新型材料的研究項(xiàng)目由美國海軍研究機(jī)構(gòu)提供資金資助，并得到意大利米蘭大學(xué)和布法羅大學(xué)計(jì)算研究中心的支持。