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金钢石|全世界最硬的玻璃，被中国科学家造出来了

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金钢石|全世界最硬的玻璃，被中国科学家造出来了
图片来源：pixabay
说起最硬的物质 ， 大家脑海里会浮现出什么呢？大概率会是象征着爱情与忠贞 ， 还非常昂贵的钻石吧 。 规律性排列的晶体结构赋予了钻石坚硬的品质 ， 但它在硬物撞击下也容易发生碎裂 。 而看似没有规律的玻璃态则在小范围内具有独特的秩序性 。 利用可调变的秩序性 ， 中国科学家创造出了最硬的玻璃 ， 它甚至可以划伤钻石 ， 还不易碎裂 。
撰文 | 王怡博
审校 | 吴非
在150千米深的地球内部 ， 坚硬的岩石早已在高温高压下部分熔化 。 这里的温度超过1000℃ ， 压力更是相当于地表的5万倍 。 在犹如炼炉的环境中 ， 自然界中最美妙的转变正在进行 。 经过数亿年的时间 ， 平平无奇的六边形石墨晶体逐渐转变成了晶莹剔透的天然金刚石（钻石）——这不仅是无数人幸福婚姻的见证 ， 也是自然界最坚硬的物质 。
金刚石极其坚硬的原因在于其分子结构 。 在金刚石中 ， 每个碳原子的杂化方式都是sp3杂化 。 也就是说 ， 分布在这4个杂化轨道上的价电子 ， 会分别与另外4个碳原子的价电子结合形成共价键 ， 构成正四面体 。 正是这样牢固而紧密的立体结构 ， 赋予了金刚石极高的硬度 。 同时 ， 金刚石中所有的价电子都参与了共价键的形成 ， 没有自由电子 ， 这种特殊的晶体结构使得金刚石不具导电性 。

金钢石|全世界最硬的玻璃，被中国科学家造出来了
左图为sp2杂化的碳原子及其构成的平面分子结构；右图为sp3杂化的碳原子以及金刚石分子结构（图片来源：10.3844/ajeassp.2018.766.782）
【金钢石|全世界最硬的玻璃，被中国科学家造出来了】虽然金刚石的硬度在自然界可谓无敌 ， 但如果你将女朋友的钻戒砸向地面 ， 却有可能目睹钻石的裂缝 ， 甚至是粉身碎骨 。 这是因为金刚石虽硬却脆 ， 在遇到硬物撞击时容易碎裂 。 事实上 ， 对于超硬晶体材料来说 ， 硬度和韧性往往不可兼得 。 这主要归根于金刚石的原子晶体结构：金刚石晶体由周期性重复排列的结构单元构成 ， 正是这种有序性使得晶体不同朝向的结构各不相同 ， 晶体的硬度也随着晶向的变化而呈现各向异性 ， 那些“较软”的晶面就成为了金刚石的“软肋” 。
在材料领域 ， 一个与“晶体”相对应的概念是“玻璃” 。 与有序的晶体相反 ， 玻璃态 ， 也就是非晶体材料具有相对无序的结构 ， 只在几个原子的小区域内具有短程有序性 。 这种具有一定秩序的混乱结构会呈现什么意想不到的性能？
最近 ， 在一项发表于《国家科学评论》（NSR）杂志的研究中 ， 来自燕山大学的研究团队就研制出了一种全新的玻璃材料——不仅硬度超过了金刚石 ， 并且具备金刚石不具备的韧性 ， 以及半导体特性 。

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