在鉆石晶體中，每個碳原子都以SP3雜化軌道與另外4個碳原子形成共價鍵，構成正四面體。由于鉆石中的C-C鍵鍵長較短，因此具有很強的抗變形能力、極高的硬度（HV=100GPa），且熔點極高。

長久以來，金剛石一直被認為是自然界中最硬的材料，但對于挑戰鉆石“超硬材料”寶座的嘗試其實從未間斷過。經過科學家多年的發現與嘗試，通過人工制造甚至就在自然界中尋找，一樣可以發現硬度不輸鉆石的物質。

硬度挑戰的初嘗試

β-C₃N₄晶體

1993年，在理論上預言的四年后，科學家們在實驗室里人工合成了硬度超過金剛石的新材料——β-C₃N₄晶體。它是一種性能優異的非線性光學材料，由于其共價鍵鍵長較金剛石更短，因而具有超過金剛石的硬度。其晶體結構見下圖。

但從目前的研究來看，氮化碳晶體的合成結果并不是很理想：研究人員發現，雖然XRD顯示，C和N能夠形成未極化的共價鍵，但無論如何改變實驗參數，所制得的樣品中N的百分率最高只能達到45%，與C3N4的理論百分率57%仍有不小的距離。

“碳家族”成員的強力來襲

鉆石納米棒聚合體

2005年8月22日應用物理通訊發表一家德國實驗室領導人為Dubrovinskaia的研究成果：該實驗室在200大氣壓，2226攝氏度高溫下，用富勒烯布基球（碳60的球形結構）壓縮成的鉆石納米棒聚合體（ADNR），其硬度可以比金剛石高百分之0.4；它可以將天然鉆石刮花。ADNR的硬度來自于鉆石納米棒互相鎖合的力量。

除此之外，還有1985年發現的碳納米管，2004年發現的石墨烯；這些物質和金剛石都是碳的同素異形體，其單晶結構硬度都不亞于金剛石，在強度上更是可以超越金剛石。

“硬度挑戰”的實質性突破

納米孿晶立方氮化硼

2013年，燕山大學亞穩材料國家重點實驗室田永君課題組以洋蔥狀碳為前驅體，成功制得納米粒度僅為3.8 nm的超硬納米孿晶的立方氮化硼，該成果已于當年在nature上發表。經實驗證明，這種納米孿晶的立方氮化硼在合理的加載力下，硬度均大于100 GPa，超過了人造金剛石單晶，它的成功合成開辟了一個同時提高材料硬度、韌性和熱穩定性的新途徑。

直徑2毫米的納米孿晶立方氮化硼材料

納米孿晶金剛石

令人欣喜是，在2014年，同課題組的Quan Huang同樣應用洋蔥狀碳為前驅體，制備出了孿晶金剛石，該成果打破了人工金剛石硬度低于自然金剛石這一長久以來的鐵律，其維氏硬度達到了驚人的200 GPa，約為天然金剛石的兩倍，且空氣中的起始氧化溫度比天然金剛石高出200攝氏度以上。

左圖為納米孿晶金剛石顯微組織的典型透射電鏡照片，右圖為透明納米孿晶金剛石樣品的光學照片（合成壓力20GPa，合成溫度2000°C）

天然界中的硬度“無冕之王”

此外，有研究人員用金剛石研磨材料對1971年隕落到芬蘭的海沃勒隕石進行切割時，發現其中含有比金剛石更堅硬的兩種全新的天然碳晶體，其硬度比在地球內部形成的金剛石大得多。

法國里昂大學特里斯坦·費羅爾教授說：“這一發現純屬意外，不過我們確信研究這一隕石能夠對鉆石有新發現。”

粉體圈 作者：小榆