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探寻!制作比金刚石更硬的晶体探寻!

编辑:admin   浏览次数:次    更新时间:2016-09-16 11:54

在地球的中央,数十亿吨重的石块产生的重压是大气层对地球表面压力的三百万倍。但是在德国巴伐利亚北部一个不起眼的实验室里,物理学家娜塔莉亚·杜布罗温斯凯亚(Natalia Dubrovinskaia)可以用一台设备制造出超过这一压力数倍的力量,而这台设备小到可以用双手捧起。
  她在一个小小的金属锥体的顶部精确的拧好几个螺丝就可以创造出比地心压力大三倍的力量。让人惊奇的是,她和她在拜罗伊特大学的同事们已经发现了一种超硬材料,可以承受这一巨大的压力。它的硬度非常高,以至于能够在金刚石上留下凹痕。而金刚石一直以来被认为是全世界最硬的物质。
  这种新物质是现代炼金术数十年努力所达到的成就,科学家一直以来都在修改物质的化学结构以改变其属性。其中很多人选错了起点,也有很多人走进了死胡同,但是最近的这些成就可能会带来广泛的影响,从医疗技术的突破,到改变我们对遥远世界的认识。
  人类对坚硬材料的热爱可以追溯到远古时期。我们的祖先曾使用坚硬的石块把其他较软的石块磨成刀刃。后来这些石块逐渐被更加坚硬的材料取代,直到2000年前人类发明了钢。钢一度成为人们所知的最坚硬的材料,直至18世纪末科学家发现他们可以在工具的表面覆上一层金刚石。
  虽然金刚石可以制成珠宝,但大多数金刚石在加工后被制成超硬涂层,把工具和钻头包裹起来,减少磨损。在开采业和石油业,金刚钻头是不可或缺的——没有了它,他们便无法挖到几百米深的地下获得有价值的资源。“超硬涂层的用途多种多样,从高速切割机,到深海钻探,到天然气和石油勘探,到生物医药的应用,”北卡罗来纳州立大学的材料科学讲席教授贾格迪什·纳拉杨(Jagdish Narayan)说。
  要理解一种材料坚硬的原因,就需要研究它的晶体的原子结构。
  构成金刚石的碳原子也是柔软的石墨的成分,石墨可以制成铅笔芯。而这两种碳材料的不同之处在于原子排列方式的不同。在石墨中,碳原子以平面六边形层层排列,每一层之间的化学键较弱。
  而在金刚石中,碳原子以四面体的形式紧紧相连,这种形状非常牢固。再加上碳原子之间牢固的化学键,金刚石就变得非常坚硬。
“金刚石”这个词本身来自于古希腊语adámas,意思是坚不可摧。不过,当压力达到一定大小时,金刚石也会碎裂,晶体结构中的小瑕疵也会让它变弱,使得金刚石容易解体。
  对科学家来说,这会出现问题——如果你在研究材料的特点时需要使用很高的压力,而地球上自然产生的最坚硬的材料都无法承受这一压力,这时该怎么办?你需要找更加坚硬的东西。

金刚石是在地壳以下的高温环境中锻造出来的,只会在火山活动中被释放出来(图片来源:Getty Images)

  错误的希望
  无怪乎超硬材料的研究是以尝试复制金刚石的结构开始,不过只有少数几种元素可以形成金刚石的化学键。
  其中之一就是氮化硼。它和碳一样,是多形的,氮原子和硼原子可以代替碳原子构成类似金刚石的结构。1957年科学家制造出氮化硼立方体,一开始据称它可以在钻石上造成擦痕,不过很快美梦就变成泡影,试验表明它的硬度还不及金刚石的一半。
  接下来的几十年,科学家通过多种方式在这三种元素之间建立化学键——氮、硼和碳——但都没有取得成功。1972年,科学家终于用这种材料制造出薄膜,其结构类似于金刚石,但是缺点是它的制作需要复杂的化学反应以及很高的温度。直到2001年,位于基辅的乌克兰国家科学院(National Academy of Sciences of Ukraine)的研究人员与他们在法国和德国的同事才共同制作出类似金刚石的硼碳氮。虽然这种新材料的硬度超过了氮化硼立方体,但还是略逊于金刚石。
  七年前,内华达大学的物理学家陈长风(音译)和他在上海交通大学的同事认为他们找到了比金刚石更加坚硬的东西。根据他们的计算,一种奇怪的六角形氮化硼(也被称为纤锌矿型氮化硼)的硬度超过金刚石18%。这种稀有的材料具有和金刚石的四面体、氮化硼立方体类似的结构,区别在化学键的角度不同。计算机模拟实验表明在高压下,这些化学键具有灵活性,会调整到90度角以释放压力。
  虽然金刚石的化学键在遇到压力时也有类似的应对方式,但是纤锌矿型氮化硼在高压环境下的硬度会增强80%。但让人意外的是,纤锌矿型氮化硼的制造过程相当危险——它只会在天然的火山喷发的高温高压环境下产生,人工合成就必须模仿爆炸的环境。要想获得足量的纤锌矿型氮化硼就变得非常困难,而且这还有待更多的试验。另一种相关物质六方金刚石(lonsdaleite)的研究也遭遇了类似的困境。    
  这种材料能承受的压力超过金刚石58%。


这种纳米晶体金刚球体被认为是目前最坚硬的材料

  近几年我们终于迎来突破。2015年,贾格迪什·纳拉杨和他在北卡罗莱纳州立大学的同事们融化了非晶体结构的碳,制成一种带有快速激光脉冲的玻璃碳。制作方法是把它加热到摄氏3700度后快速冷却。这种冷却的方法赋予了它另一个名称,即Q-Carbon。这是一种奇怪的、但非常坚硬的新碳相。和其他碳相不同的是,它具有磁力,接触到光线时还会发光。
  这种材料的结构主要由类似金刚石的化学键和10%到15%的类似石墨的化学键组成。研究团队的测试表明Q-carbon至少比钻石硬60%,不过尚未最终确认。真正的硬度测试需要用比它更坚硬材料在它上面钻洞。当使用两枚金刚钻头挤压Q-carbon样品时,钻头发生变形。纳拉杨说。
  正在此时杜布罗温斯凯亚铁砧才登场亮相。她的新材料是一种被称为纳米晶体金刚球的独特碳相。它不是像订婚钻戒所用的钻石那样的单晶体结构,而是大量小晶体的结构——每个晶体的大小仅为发丝宽度的11000分之一——它们通过石墨的层状结构连接。这种诺贝尔奖水平的奇妙材料的厚度仅为一个碳原子。
  金刚石在1200亿帕的压强下会碎裂,而这种新材料能够承受至少4600亿帕。当把多层新材料压到一起产生10000亿帕的高压时,它也不会破损。这种小球体已经是地球上已知的最硬的东西。打个比方,这相当于3000头成年非洲象站在一只高跟鞋的细跟上。“这是所有已知的超硬材料中最硬的材料,它能在其他所有材料上压出痕迹来。” 杜布罗温斯凯亚说。
  这些纳米晶体金刚球体还是透明的,研究人员可以把它们当作微小的透镜,用X光来观察被挤压的材料。“我们可以通过它来观察被挤压的材料会发生什么变化。” 杜布罗温斯凯亚说,“超高压为加深对物质的理解打开了新的视野。”
  杜布罗温斯凯亚和她的同时已经凭借这种材料对锇进行了研究。锇是抗压能力很强的一种金属。他们发现,锇能够承受超过7500亿帕的挤压力。当达到这个压力时,金属原子内部原来紧紧相连的电子和质子开始发生互动。研究人员认为,这种更奇怪的现象可能导致金属从固态变成未知的物质状态。他们希望未来能够研究这会给锇带来什么属性。
  这些超硬的纳米金刚石已经超越了提供新的坚硬边缘以切割石块和金属的功能。粉末状的纳米金刚石可用于化妆工业,它具有高度的吸附性,可以和活性物质结合。它们很容易被皮肤吸收,这样就把活性物质带入皮肤。医药工业也开始研究其用途,比如它可以把药物带入化疗难以触及的人体的一些部位。研究还表明纳米金刚石可以促进骨骼和软骨的生长。


金刚石压腔内的被破碎试样的示意图

  该研究最深远的影响是有可能解开太阳系的一些谜团。下个月将举行国际专家会议,会上将讨论这些新的可能性。通常认为地球中心的压力最高为3600亿帕,而围绕太阳系公转的最大的行星——木星,其中心压力为45000亿帕。
  在这样的压力下,元素会发生奇怪的变化。比如氮——地球上一种平常的气体——会变得像金属一样,并开始具有导电性。杜布罗温斯凯亚和杜布罗温斯基(Dubrovinsky)希望他们的超硬金刚石能够帮助我们创造宇宙中的这些环境。“我们可以开始模拟巨大行星或太阳系外的超级地球的内部环境。” 杜布罗温斯凯亚说,“我觉得更让人惊奇的是让我们做到这件事的设备小到可以双手捧住。”
  (本文作者By Richard Gray;文章发表于2016年8月16日BBC网站。文章主要内容由“英伦网”翻译,部分内容由中国超硬材料网翻译。)


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