科研人員已能在環(huán)境氣壓下制造出一種能在鉆石上劃痕的超硬材料。
　　據(jù)2007年4月20日www.physorg.com網(wǎng)站報道，超硬材料的用途非常廣泛，無論是鉆探石油和修公路用的鉆頭，還是精密儀器和 手表表面的抗摩涂層，都需要使用超硬材料。加州大學洛杉磯分?？茖W家開發(fā)出一種制造超硬材料的新方法，他們制造的超硬材料具有極強的耐摩性和抗裂性。他們 的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)刊登在4月20日出版的《科學雜志》上。
　　這項研究的合著者查德·B·凱恩是加州大學洛杉磯分校無機化學、材料科學和工程學教授。他認為，金剛石之所以是世界上最硬的材料，是因為金 剛石的碳原子間具有極短的共價鍵。實事上，世界上所用的大多數(shù)金剛石都是人工合成的，而且價格非常昂貴。金剛石粉未可用于制造石油鉆頭、筑路機和挖山洞用 的挖穴機。然而，金剛石不能用于切割鋼鐵，因為切割鋼鐵將毀壞金剛石刀片。凱恩說，立方結(jié)構(gòu)的氮化硼是金剛石的替代品，可以用來切割鋼鐵，但它是在非常高 的溫度和壓力條件上合成的，其價格比金剛石還要昂貴。
　　超硬材料具有“超級不可壓縮性”，意思是它們具有抵抗外形變化的抗性，這正是產(chǎn)生硬度的必要條件。制造超硬材料的方法有兩種：一種是通過使 用碳元素并將其與硼或氮合成在一起來仿制金剛石，從而保持較短的共價鍵；另一種是尋找具有“不可壓縮性”的金屬并設(shè)法使其堅硬。凱恩和他的同事正在發(fā)展第 二種方法。凱恩說：“我們的設(shè)想是合成一種‘不可壓縮的’金屬，這種金屬碰巧是低硬度的，但它具有可以使其變硬的短共價鍵。”凱恩是加州大學洛杉磯分校加 州納米系統(tǒng)研究院成員，該研究院鼓勵通過跨學科合作來解決納米科學和納米技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)問題。
　　鋨是一種相對柔軟的金屬元素，是目前所知道的最具“不可壓縮性”的金屬，2005年，凱恩的研究團隊把鋨元素與短共價鍵原子合成在一起，制 造出一種幾乎與金剛石同樣“不可壓縮的”材料。它是如此堅硬，甚至可以在硬度達9級的藍寶石上劃出痕跡（硬度的劃分級別為1－10級）。“我們發(fā)現(xiàn)，如果 我們把硼和鋨結(jié)合在一起，我們只能使鋨金屬中鋨原子的分隔距離擴大10%，這已經(jīng)非常不錯了；如果你想盡可能地縮小原子之間的分隔距離，就需要尋找更好的 過渡金屬。”凱恩說：“于是我們仔細搜索了所有過渡金屬以確認是否有比鋨更好的過渡金屬，從而使膨脹系數(shù)少于10%。我們發(fā)現(xiàn)只有錸具有這種潛力，因此， 我們制造出二硼化錸。”
　　錸是一種高密度、低硬度的金屬，它在元素周期表中剛好排在鋨元素的后面。“我們合成出了短共價鍵，我們只能使錸金屬中錸原子的分隔距離擴大 5%，從而使其既具有‘不可壓縮性’又非常堅硬。錸金屬中的錸原子之間的距離僅膨脹了5%——這是這篇科學論文的關(guān)鍵。在某個方向上，二硼化錸的‘不可壓 縮性’與金剛石相同，在另一個方向上，二硼化錸的‘可壓縮性’僅比金剛石稍高。”在低作用力下，二硼化錸的硬度與立方結(jié)構(gòu)的氮化硼相等，而氮化硼是第二硬 的材料。在更高的作用力下，二硼化錸的硬度僅比氮化硼稍低。凱恩稱：“我們的材料非常堅硬，足以劃破金剛石，比二硼化鋨要硬得多。”
　　而且其它超硬材料，包括金剛石和立方結(jié)構(gòu)的氮化硼都是在昂貴的高壓條件下制造出來的。凱恩說，“我們的材料只需要通過一種簡單的程序就可以 制造出來，不需要使用壓力。”在談到合作時，凱恩說，“我之所以來到加州大學洛杉磯分校，之所以喜歡這個地方，是因為無論你做什么，比如，以我個人來說， 無論你何時想要制造一種新材料，你經(jīng)常需要你自己不具有的設(shè)備和技能。而加州大學洛杉磯分校擁有材料制造領(lǐng)域的專家和相應(yīng)的設(shè)備，每次我有疑問時，所有人 都樂于幫助我進行實驗并積極地與我合作。”凱恩認為，盡管新超硬材料有巨大的潛力，但它們還不可能在短時間內(nèi)取代金剛石。