“世界最硬物質”金剛石王座不保

2009年03月01日09:07  來源:新京報

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  長久以來,金剛石(鑽石)一直佔據著“世界最硬自然物質”的寶座,任憑科學家怎麼摸索,都找不到比它更硬的材料。然而從去年開始,情況發生了變化。自從去年法德科學家做出了接近金剛石硬度的納米材料之后,最近,上海交大的計算物理學家從理論上計算出了兩種世界最硬物質的可能,其分別比常規的立方金剛石硬18%和58%。

  硬度是金剛石的1.5倍

  上海交大物理系的孫弘教授說,人類尋找最硬材料尋找了三十多年,投入了很多的資金,卻一直沒有突破金剛石的硬度。

  去年,一個法德合作小組做出了立方氮化硼和纖鋅礦氮化硼兩種材料的納米顆粒混合物,其硬度接近金剛石。然而,立方氮化硼這種材料其實很“軟”,硬度隻有金剛石的60%左右,因此,默默無聞的纖鋅礦氮化硼開始引起人們的注意。這種材料屬於亞穩結構,在自然界和實驗室中隻以少量的微小顆粒形式存在。

  孫弘介紹,此前有人對它的硬度計算忽略掉了正向的壓力這一重要影響,所以計算並不成功。“受力測試的時候,材料一般會經受垂直向下的壓力,也有側面向外推的力,后者的力一般會把材料破壞掉,但有些材料的垂直壓力會阻礙側向壓力。”孫弘說。

  他與博士生潘梓誠進行了同樣的計算,但考慮進了這個影響,最終從理論上得出結果,這種材料比已知最硬的立方金剛石還要硬18%。

  為了進行比較,他們還找來了同樣屬於亞穩結構的六方金剛石,相對於常規的立方金剛石,六方金剛石也是隻能以很小的顆粒狀存在,結果發現,它的硬度同樣很高,甚至高於立方金剛石58%!他們的研究得以在最新一期的權威期刊《物理評論快報》上刊登。

  超硬材料應用廣泛

  “現代物理學已經變成三足鼎立的狀況,”孫弘說,“以前分成實驗和理論兩塊,但理論必須依靠實驗的參數,現在出現了計算物理,不需要任何實驗參數,隻要有最基本的元素,就可以在量子力學的基礎上,通過大型計算機計算出來。從對大量已知材料的測試經驗得知,它算出來的結果很精確,令人比較信服。”

  金剛石雖然是最硬的自然材料,但因為其碳結構的屬性,在高溫環境下不穩定,很容易與氧產生化學反應,與鐵也很容易化合,因此沒法用在很多工業上。

  更硬物質的出現,意味著工業和國防的大進步。國防上,可以將耐高溫的超硬材料涂在導彈、坦克、鑽地炸彈甚至防彈衣上。在工業上,有些深海海底鑽井沒法更換,更硬物質將提供很大的幫助。如果有更硬的材料,老百姓甚至可以用上不用磨的菜刀。因此,更硬的耐高溫超硬材料在各個工業領域都應用廣泛。

  孫弘表示,理論家測試,材料學家尋找材料,這是一個循環過程。雖然,纖鋅礦氮化硼這種材料在實驗環境下還很難做出大塊的結構,但至少理論的實現為實踐提供了研究方向,各類材料科學家今后會想盡辦法地試驗這種材料。也許在不遠的將來,金剛石將真正從“最硬物質”的寶座上讓位下來。(採寫/記者 金煜)

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(責編:黃維)
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