說(shuō)起最硬的物質(zhì)，大家腦海里會(huì)浮現(xiàn)出什么呢？大概率會(huì)是象征著愛(ài)情與忠貞，還非常昂貴的鉆石吧。規(guī)律性排列的晶體結(jié)構(gòu)賦予了鉆石堅(jiān)硬的品質(zhì)，但它在硬物撞擊下也容易發(fā)生碎裂。而看似沒(méi)有規(guī)律的玻璃態(tài)則在小范圍內(nèi)具有獨(dú)特的秩序性。利用可調(diào)變的秩序性，中國(guó)科學(xué)家創(chuàng)造出了最硬的玻璃，它甚至可以劃傷鉆石，還不易碎裂。

　　在150千米深的地球內(nèi)部，堅(jiān)硬的巖石早已在高溫高壓下部分熔化。這里的溫度超過(guò)1000℃，壓力更是相當(dāng)于地表的5萬(wàn)倍。在猶如煉爐的環(huán)境中，自然界中最美妙的轉(zhuǎn)變正在進(jìn)行。經(jīng)過(guò)數(shù)億年的時(shí)間，平平無(wú)奇的六邊形石墨晶體逐漸轉(zhuǎn)變成了晶瑩剔透的天然金剛石（鉆石）——這不僅是無(wú)數(shù)人幸福婚姻的見(jiàn)證，也是自然界最堅(jiān)硬的物質(zhì)。

　　金剛石極其堅(jiān)硬的原因在于其分子結(jié)構(gòu)。在金剛石中，每個(gè)碳原子的雜化方式都是sp3雜化。也就是說(shuō)，分布在這4個(gè)雜化軌道上的價(jià)電子，會(huì)分別與另外4個(gè)碳原子的價(jià)電子結(jié)合形成共價(jià)鍵，構(gòu)成正四面體。正是這樣牢固而緊密的立體結(jié)構(gòu)，賦予了金剛石極高的硬度。同時(shí)，金剛石中所有的價(jià)電子都參與了共價(jià)鍵的形成，沒(méi)有自由電子，這種特殊的晶體結(jié)構(gòu)使得金剛石不具導(dǎo)電性。

　　雖然金剛石的硬度在自然界可謂無(wú)敵，但如果你將女朋友的鉆戒砸向地面，卻有可能目睹鉆石的裂縫，甚至是粉身碎骨。這是因?yàn)榻饎偸m硬卻脆，在遇到硬物撞擊時(shí)容易碎裂。事實(shí)上，對(duì)于超硬晶體材料來(lái)說(shuō)，硬度和韌性往往不可兼得。這主要?dú)w根于金剛石的原子晶體結(jié)構(gòu)：金剛石晶體由周期性重復(fù)排列的結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成，正是這種有序性使得晶體不同朝向的結(jié)構(gòu)各不相同，晶體的硬度也隨著晶向的變化而呈現(xiàn)各向異性，那些“較軟”的晶面就成為了金剛石的“軟肋”。

　　在材料領(lǐng)域，一個(gè)與“晶體”相對(duì)應(yīng)的概念是“玻璃”。與有序的晶體相反，玻璃態(tài)，也就是非晶體材料具有相對(duì)無(wú)序的結(jié)構(gòu)，只在幾個(gè)原子的小區(qū)域內(nèi)具有短程有序性。這種具有一定秩序的混亂結(jié)構(gòu)會(huì)呈現(xiàn)什么意想不到的性能？

　　最近，在一項(xiàng)發(fā)表于《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》（NSR）雜志的研究中，來(lái)自燕山大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)就研制出了一種全新的玻璃材料——不僅硬度超過(guò)了金剛石，并且具備金剛石不具備的韌性，以及半導(dǎo)體特性。

　　Part.1　　最強(qiáng)、最硬的玻璃

　　領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的田永君院士一直深耕于超硬材料領(lǐng)域，例如早在2013年，他就帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)合成了一種硬度超過(guò)金剛石的納米孿晶立方氮化硼，這項(xiàng)突破也登上了《自然》期刊。而在最新的研究中，田永君團(tuán)隊(duì)使用的原材料是富勒烯（C60）。富勒烯的碳原子都是sp2雜化，結(jié)構(gòu)規(guī)整，具有高度的對(duì)稱性。因此，在800℃下，5GPa的壓力就足以破壞富勒烯高度對(duì)稱的結(jié)構(gòu)。

　　研究團(tuán)隊(duì)正是利用了這一性質(zhì)，他們希望在合適的高溫高壓條件下瓦解富勒烯的晶體結(jié)構(gòu)，使原本結(jié)構(gòu)中的sp2雜化碳更大程度地向sp3雜化轉(zhuǎn)變。將其解構(gòu)的目的就是要再重建，以得到結(jié)構(gòu)無(wú)序、不“完美”的玻璃態(tài)。為此，他們選擇在25GPa的高壓條件下不斷升高溫度。隨著溫度的升高，規(guī)整的晶體結(jié)構(gòu)逐步瓦解，在800℃時(shí)就可以由晶體結(jié)構(gòu)完全轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)。

　　此后，伴隨著溫度的進(jìn)一步升高，意想不到的變化出現(xiàn)了。在1000℃時(shí)，材料在X射線衍射光譜中不再顯現(xiàn)出類似于石墨的結(jié)構(gòu)特征峰，而是出現(xiàn)了對(duì)應(yīng)于金剛石晶面的寬衍射峰。這一點(diǎn)完全不同于以往合成的玻璃態(tài)碳材料——此前報(bào)道的玻璃態(tài)碳材料都會(huì)呈現(xiàn)與石墨結(jié)構(gòu)相似的衍射峰，也就是說(shuō)，碳原子的主要雜化方式依然是sp2。而在最新研究中，富勒烯sp2雜化碳逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閟p3雜化，并在1000℃時(shí)，sp3雜化的正四面體結(jié)構(gòu)后來(lái)者居上，占據(jù)了主導(dǎo)的位置。

　　對(duì)于研究團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，1000℃只是一個(gè)開(kāi)端。當(dāng)他們持續(xù)升高反應(yīng)溫度，碳原子中sp3雜化的比例越來(lái)越高——電子能量損失譜證實(shí)，在1000℃、1100℃和1200℃時(shí)，sp3雜化程度分別約為69%、77%和94%。sp3雜化程度越高，材料的密度也越大。在高分辨率透射電鏡下，平均“粒徑”也越來(lái)越小，分布趨于均勻。對(duì)于玻璃態(tài)來(lái)說(shuō)，這衡量了整體混亂結(jié)構(gòu)中的秩序性，意味著逐漸降低的混亂度與隨之升高的秩序性。研究團(tuán)隊(duì)分別將1000℃、1100℃和1200℃下的新型“玻璃”命名為AM-I、AM-II和AM-III。（AM即amorphous，表示玻璃態(tài)。）

　　其中，1200℃時(shí)形成的sp3雜化程度最高、最為致密的AM-III格外引人關(guān)注。對(duì)AM-III的力學(xué)性質(zhì)測(cè)定顯示，其維氏硬度（HV）高達(dá)~113GPa，可以刻劃維氏硬度為103GPa的單晶金剛石晶面。除了超高的硬度之外，AM-III的強(qiáng)度也可以與金剛石相媲美：這種材料的表面能承受高達(dá)~70GPa的壓力而不會(huì)出現(xiàn)裂痕。這是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最硬、最強(qiáng)的玻璃態(tài)的碳。

　　此外，玻璃態(tài)AM-III的高硬度在材料內(nèi)部的各個(gè)方向都基本一致，即具有各向同性。相比于因各向異性而存在“軟肋”的金剛石，AM-III作為一種新型玻璃，完美解決了超硬晶體韌性不足的問(wèn)題。

　　Part.2　　應(yīng)用前景

　　除了超硬、超強(qiáng)的力學(xué)性質(zhì)外，AM-III也是半導(dǎo)體，它的帶隙（導(dǎo)帶的最低點(diǎn)與價(jià)帶的最高點(diǎn)的能量之差）范圍為1.5~2.2eV，與最常用的半導(dǎo)體非晶硅薄膜的帶隙相當(dāng)。因此，這種結(jié)合了優(yōu)越的力學(xué)性能與半導(dǎo)體性能的新型“玻璃”有望在光伏（將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能）領(lǐng)域大展身手。

　　這不是該團(tuán)隊(duì)第一次在超硬材料領(lǐng)域進(jìn)行這樣創(chuàng)新的嘗試?，F(xiàn)在，新的實(shí)驗(yàn)揭示了無(wú)序玻璃可以媲美有序晶體的可能性。一步一步解構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)，再形成新的化學(xué)鍵，最終得到結(jié)構(gòu)無(wú)序、不完美的玻璃態(tài)。這些本質(zhì)上具有獨(dú)特秩序的混亂結(jié)構(gòu)，卻能帶來(lái)驚喜，甚至有可能超越有序的完美晶體。它讓科學(xué)家看到利用混亂中的秩序，可以將“玻璃”的特性發(fā)揮到極致。