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在我们这个星球的中心，数十亿吨的岩石从上向下推的重量造成了超过三百万倍的表面上的大气压力的压毁力。然而，在巴伐利亚北部的一个不起眼的实验室台面，物理学家Natalia Dubrovinskaia能够用可以握在手中的装置超过这些强大的压力，甚至几次。 在一个小的金属圆筒顶部随着几个螺丝钉的精确转动，她可以产生超过那些在地球核心发现的三倍压力。令人惊讶的是，她和她在拜罗伊特大学的同事发现了一种能够承受这些惊人的力量超材料。，这是多么艰难能够在钻石晶体中留下一个凹陷，这是长期被视为世界上最硬的材料。 她的这项发明是几十年来中科学家调整物质化学结构来改变其性能的一种现代炼金术的顶点。这是一个参与多次失败的开始和盲点地旅程，但最近的成功拥有广泛的影响，从医学上的突破到改变我们对遥远的世界的理解。 钻石是在极其高温地球地壳下面来锻造，只能由火山活动释放（来源：盖蒂图片社） 人类对硬材料的爱可以追溯到我们物种的最早的时候，那个时候我们的祖先开始用坚硬的石头将软岩打造成锋利的刀。这些后来被越来越硬的金属取代，直到超过2000年前，第一钢生产，当时被认为是最硬的材料，但直到科学家在第十八世纪末发现他们可以在钻石的涂层工具时结束了这种认知。 尽管其对珠宝有明显的吸引力，大多数加工钻石是用来创建抗磨损超硬涂层的工具和钻头。对于采矿和石油工业，这样的钻石尖的工具是他们的工作的重要工具，没有他们，他们不能钻洞穴通过数百米的岩石，以达到地球下面的有价值的宝贵资源。“硬涂层需要的各种应用，包括高速加工刀具，深海钻探石油和天然气勘探、生物医学应用，”来自北卡罗来纳州立大学材料科学的大学教授Jagdish Narayan这样说到。 要了解什么使一个材料坚硬，有必要看看它的晶体的原子结构。 钻石是由同一个碳原子形成的，这些碳原子也构成了软石墨铅笔的中心。这两种形式的碳的区别是原子的排列。石墨是由碳原子排列的扁平六边形片组成，各层之间的弱引力结合在一起。 然而，在钻石中，碳原子在四面体的形成中是结合在一起的，是非常刚性的形状。结合强大的碳-碳键，它使钻石非常坚硬。 “钻石”本身是来自古希腊语áMAS，或是牢不可破。然而，钻石会在足够高的压力下同样会被打破和崩开。在晶体中的微小瑕疵也会削弱它，使钻石容易解体。 对于科学家来说，这产生了一个问题，你如何研究材料的特性，在压力以上的点时，即使是最坚硬的自然产生的物质在地球上亦然可以破裂？你需要找到更强大的东西。 虚假的希望 也许这并不奇怪，超硬材料搜索试图复制金刚石的结构，但只有少数元素能够结合在一起这样。 有一类材料是氮化硼。像碳，这种合成材料有几种不同的形式，但用氮原子和硼原子取代碳原子来复制金刚石的结构是可能的。在1957年首次创造出来且被称为立方氮化硼，它最初被报道足够坚硬以至于划伤金刚石，但希望却落空了，后来的测试表明，它只有它的碳基不到一半的硬度。 在接下来的几十年里，科学家们看到了一系列类似的失望，科学家们寻找其他方法在各种结构中结合氮，硼和碳三种元素。这种材料的薄膜生产的1972，但创造的形式模仿金刚石结构；缺点是，它涉及到复杂的化学和高温的产生。直到2001，类金刚石的硼碳氮被报道已在基辅乌克兰的美国国家科学院的研究人员和在法国和德国的同事制作成功。但他们发现，虽然新材料比立方氮化硼的晶体更难，但它仍然没有金刚石硬。 然后，七年前，内华达大学的一位物理学家常峰晨和在中国上海交通大学的同事，认为他们有了一些可能能将钻石从它的宝座上推翻下来的证据。他们计算出一个奇怪的六边形形成氮化硼，称为纤锌矿氮化硼，能够比钻石抵抗多余18%的压力。这种罕见的材料有一个类似的四面体结构，以钻石和立方氮化硼为基础，除了在不同的角度来结合。计算机模拟这种材料的行为在压力下的情况下提出这些结合是灵活的，通过大约90度左右压力下重新定位自己来缓解紧张。 而钻石的结合以类似的方式对压力做出回应，纤锌矿型氮化硼几乎在高压下比它强80%。问题是，纤锌矿型氮化硼创造–是在自然的情况下发生，在极端高温和火山喷发的压力以及必须在模仿这些条件综合下爆炸，这是相当危险的，这意味着它是很难获得足够数量也有待检验。类似的问题限制了相关物质的潜在的研究，被称为Lonsdaleite，它应该能够承受高达58%的比标准的金刚石晶体更多的压力。 像这样的纳米金刚石球被认为是人类已知的最坚硬的材料（来源：娜塔莉亚布罗维斯卡亚等人/科学进展） 只有在过去的几年里，我们终于看到了一些突破。2015，Jagdish Narayan和他在北卡罗来纳州立大学的同事透露他们已经融化的被称为快速激光脉冲加热玻碳的非晶碳，在快速冷却前加热到3700C（6690F）。这种冷却或淬火，形成了q-carbon。他们所产生的是一种奇怪的，但特别强烈的无定形碳的形式。不同于其他形式的碳是磁性和暴露在光下燃烧。 材料本身的结构主要是由金刚石型结合，但也有约10至15%石墨型结合。研究团队通过试验表明q-carbon可能至少比钻石硬60%，但这尚未最后确定。真正的硬度测试要求的样品是缩进一点，比被检查的材料更硬。当样本q-carbon两磨钻石点之间破碎，这便造成了一个问题。“在q-carbon硬度测量过程中钻石尖变形，”Narayan说。 正是在这里，Dubrovinskaia的超硬刀进入画面。她的新材料是一种独特的碳被称为纳米金刚石球，而不是由一个像我们订婚戒指一样的宝石的单一的碳原子，它是由许多小的单个晶体–每11000次小于人类头发的宽度-这是相互结合的一层石墨烯，诺贝尔奖获奖的奇迹-由碳层制成的材料只有一个原子厚。 而金刚石晶体将开始在高达120千兆帕斯卡（GPa）压力下解体，然而这个新材料至少可以承受460的GPA。它甚至可以在压力汇集到1000GPA时依然岿然不动。这使得这些微小的物体比地球上任何其他已知的物质都硬。换个角度来看，这是将3000成年非洲象全部压在一个单一的高跟鞋一样。“这是所有的已知的最坚硬的超硬材料的缩进”，布罗维斯卡亚说。 这些纳米钻石球也是透明的，让他们像微透镜一样，研究人员可以使用X射线来粉碎材料。“它允许我们在对材料施压中调查和观察发生什么，”布罗维斯卡亚说。“实现超高压力，打开了一个更深入的了解的新视野。” 一个在金刚石砧座细胞的压力室下被压碎的视角（信用娜塔莉亚布罗维斯卡亚等人/科学进展） 布罗维斯卡亚和她的同事们已经应用这个来研究锇金属，是在世界上最耐压缩的。他们发现它可以抵抗压缩压力超过750 GPa。在这一点上，内电子，通常是紧密结合的金属原子的原子核，是高度稳定的，开始相互作用。研究人员相信，这种奇怪的行为可能会导致金属从固态转变成以前未知的物质状态。他们希望在将来研究什么样性质使锇有这样的特别之处。 这些超硬纳米钻石超越了简单的给予新的硬化边缘穿过岩石和金属。这种纳米金刚石粉末可以使用在化妆品行业因为有吸水性极强，拥有活性物质。他们携带这些物质也很容易被皮肤吸收。医疗行业也开始探索如何使用他们的药物，如化疗到难以达到的身体领域。研究还表明，纳米钻石可促进骨和软骨生长。 最深刻的是，这最近的工作也可以帮助解开一些我们的太阳系的奥秘。他们将在下个月组织一个国际专家会议，其中一些新的可能性将被讨论。而在地球的中心，压力被认为达到360 GPa，绕太阳运行最大的行星，巨大的气体行星木星，认为其核心有压力高达4500 GPA。 在这些压力下，元素开始以奇怪的方式表现。例如，氢-通常在地球是一种气体-开始像一个金属，并成为能够导电。布罗维斯卡亚和Dubrovinsky希望他们的超硬钻石能帮助我们创造这些宇宙的条件。“我们可以开始模拟巨行星或太阳系以外的宇宙超级地球，”布罗维斯卡亚说，“我认为我们可以运用我们拥有的技术来做这些会更迷人。” 本文由归晚编辑 原文：
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发表于 2016-9-29 16:41:04
