說到世界上最硬的物質(zhì)，可能很多人的第一反應是金剛石，也就是我們平時所說的鉆石。由于天然鉆石難以開采，物以稀為貴，所以價格也比較高昂。在公元前4個世紀，鉆石就被當作寶石或者護身符，而有限的鉆石產(chǎn)量僅僅能夠滿足少數(shù)富裕階層。
在1947年，戴比爾斯公司創(chuàng)作出經(jīng)典廣告語'鉆石恒久遠，一顆永留傳'，讓鉆石成為永恒承諾的象征，代表著愛情的鉆石，走向國際市場。
金剛石的主要成分是碳，碳的最外層有四個電子，外層電子會發(fā)生sp3雜化形成四個雜化軌道，不同碳原子形成的雜化軌道會形成共價鍵，構(gòu)成四面體結(jié)構(gòu)。鉆石中就是由無數(shù)個這種類型的四面體構(gòu)成，由于四面體結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定因此也就導致金剛石的硬度非常大。
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我們知道物質(zhì)中的原子如果是有序排列的，這種物質(zhì)就被稱為晶體。由于晶體的排列是規(guī)則的，從不同的角度劃分，原子之間可以形成不同的晶面，而不同類型晶面之間的化學鍵會存在差異（例如化學鍵類型、鍵角等），因此晶體在不同方向上就存在不同的性質(zhì)，我們這把這個稱為晶體的各向異性。
鉆石同樣屬于晶體結(jié)構(gòu)，因此也存在各向異性。我們平時感受到鉆石堅硬，主要是由于人們在設計鉆石形狀時就下足了功夫，他們會將金剛石承受力學強度最大的方向設計成最容易受到外界壓力的方向，因此才使得鉆石的強度如此之大。但只要我們朝著最脆弱的晶面進行高強度的壓迫或者進行沖擊，同樣也會直接將鉆石壓碎。所以別以為鉆石是自然界最硬的東西，就嘗試拿鐵錘去敲擊，如果你運氣好恰好砸在金剛石脆弱的晶面上，那么可能不僅是鉆石會碎，你的心也會碎一地。
金剛石結(jié)構(gòu)中某一脆弱的晶面
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被壓爆的鉆石
由于晶體的各向異性無法避免，那么科學家們就想辦法制造在各個方向上性質(zhì)都一致的材料，非晶體就具有這種性質(zhì)。
非晶體是指結(jié)構(gòu)無序或者近程有序而長程無序的物質(zhì)，組成物質(zhì)的分子（或原子、離子）不呈空間有規(guī)則周期性排列的固體，它沒有一定規(guī)則的外形。這種沒有規(guī)則結(jié)構(gòu)的無序態(tài)也被稱為玻璃態(tài)。
由于玻璃體內(nèi)部的原子結(jié)構(gòu)是雜亂無章的，因此從統(tǒng)計學的角度看，在各個方向上的結(jié)構(gòu)都趨于一致，因此不同方向上的性質(zhì)也完全一樣，也被稱為各向同性。我國科學家此次制造的這個高硬度材料突破角度也正是如此。
這項研究成果發(fā)表于《國家科學評論》（NSR）雜志的研究中，來自燕山大學的田永軍研究團隊所制造的這種全新的玻璃材料——不僅硬度超過了金剛石，并且具備金剛石不具備的韌性，以及半導體特性。
該團隊制造這種玻璃的原材料為富勒烯（C60），它與鉆石的成分一樣，都是由碳元素組成。但C60中的碳元素為sp2雜化，形成三個δ鍵以及一個大π鍵，三個對稱的δ共價鍵相互連接形成了一個球形結(jié)構(gòu)。
C60
當溫度和壓強足夠大時，可以使碳元素的sp2雜化向sp3雜化轉(zhuǎn)變。燕山大學的田永君團隊就是利用這個性質(zhì)，在高溫高壓條件下將C60結(jié)構(gòu)破壞，使部分碳原子形成sp3雜化，在局部形成四面體結(jié)構(gòu)，這個過程相當于破壞了原來有序的晶體結(jié)構(gòu)，形成了新的無序態(tài)玻璃狀結(jié)構(gòu)。
該科研團隊以C60為原料，使用了多種溫度制造這種玻璃態(tài)碳材料，發(fā)現(xiàn)在1200℃時形成的sp3雜化程度最高、最為致密。通過對該條件下制備的玻璃進行硬度測試，維氏硬度（HV）高達~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，該玻璃材料的強度也可以與金剛石相媲美：這種材料的表面能承受高達~70GPa的壓力而不會出現(xiàn)裂痕。這是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最硬、最強的玻璃態(tài)的碳。
這個研究成果使人們對玻璃有了更深一步的了解，未來玻璃材料在一些方面完全可以媲美晶體材料，并且該材料能帶間隙大小適中，可作為半導體材料使用，未來或許在半導體領域能夠有一定的應用價值。
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