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地球上最硬的材料是什么?有六种材料比钻石更胜一筹

新浪科技讯 北京时间3月23日消息,据国外媒体报道,碳是自然界中最奇妙的元素之一,拥有不同于其它元素的化学和物理性质。碳原子核中只有6个质子,是能够形成复杂化学键的元素中最轻的。所有已知的生命形式都以碳元素为基础,因为碳原子同时可以与最多四个原子形成化学键。在高压下,碳还可以与其它碳原子结合,形成稳定的晶格结构。若条件合适,碳原子还能形成一种极其坚固、超级坚硬的结构,即我们所熟知的钻石

虽然众所周知,钻石是全世界最坚硬的物质,但其实有六种材料比钻石更胜一筹。当然,钻石仍然是地球上最坚硬的天然材料之一,但终究难以与这六种物质相比。

荣誉奖

地球上有三种物质,虽不如钻石那么坚硬,但由于在多方面表现出色,仍然值得一提。随着纳米技术的发展,再加上在纳米尺度上对现代材料的了解进一步深入,我们如今意识到,评估这些极端材料的特性可以使用多种指标。

先从生物界说起。蜘蛛丝虽然招人嫌弃,但其实是一种非常强韧的材料。其强度重量比远胜铝和铁等传统材料,而且十分轻薄、粘性也大。在全世界的所有蜘蛛中,达尔文吠蛛的蛛丝强度最大,高达凯夫拉尔合成纤维的10倍。而且这种蛛丝无比轻薄,仅仅一磅(454克)的蛛丝便足以绕地球整整一周。

一种名叫碳化硅(一般以莫桑石的形式存在)的天然物质硬度仅比钻石略低一点。自1893年以来,碳化硅颗粒已经实现了大规模生产。硅和碳属于同族元素,可以通过一种名叫烧结的处理方式,在高压、但相对低温的条件下形成这种极其坚硬的材料。

这些材料不仅适用于各种对硬度要求高的场合,例如刹车片和离合器、防弹衣、坦克装甲等,还具有出色的半导体性能,因此在电子元件的生产中也发挥着重要作用。

约20年前,科学家首次研发出了直径从2纳米至50纳米不等的纳米硅球。最惊人的是,这些纳米球是空心的,不仅可以自行组合成球状,还能相互嵌套。这也是人类所知最坚硬的材料之一,硬度同样仅逊于钻石。

自组装在自然界中是一件极为强大的工具,但与合成材料相比,生物材料在这方面要薄弱一些。这些自组装纳米粒子可以用来打造定制化材料,比如性能更优良的水过滤器、效率更高的太阳能电池、速度更快的催化剂、或者新一代电子器件等等。不过,最理想的应用场景还要数根据使用者身材“量身打印”的防弹衣。

最著名的高硬度材料

当然,上述材料的硬度都无法与钻石媲美。在地球上发现或创造出的所有材料中,钻石的硬度名列第七。虽然有些天然(但十分罕见)材料和合成材料的硬度已经超越了钻石,但钻石的地位依然难以撼动。

钻石也依然是人类所知耐划性最强的材料。不仅钛之类的金属比钻石相差甚远,就连硬度极高的陶瓷或碳化物在硬度或耐划性上也无法与钻石相比。其它以硬度著称的晶体,比如红宝石或蓝宝石,也都达不到钻石的水平

不过,有六种材料已经在硬度上打败了钻石。

第6种、纤锌矿型氮化硼

除了碳之外,其它许多原子或化合物也可以构成晶体,氮化硼就是其中之一。硼和氮在元素周期表上分别居于第五和第七位,两种元素组合在一起,可以产生各种各样的可能性,包括非晶形、六方晶系(类似于石墨)、立方体(类似于钻石,不过结构强度稍差一些)、以及纤锌矿型。

其中,最后一种形式极为极端、但也极为坚硬。该物质在火山喷发过程中形成,到目前为止只发现过极少量,因此我们无法通过实验测试其硬度。但最新的模拟结果,它可以形成一种不同类型的晶格结构,属于四面体、而非面心立方体,硬度比钻石高出18%。

第5种、蓝丝黛尔石

图为两颗从波皮盖陨石坑中发现的钻石。左侧为纯钻石,右侧为钻石与少量蓝丝黛尔石的混合物。如果有不含任何杂质的蓝丝黛尔石,其强度和硬度都将胜过纯钻石。

想象有一块富含碳元素(因而含有石墨)的陨石穿过大气层疾冲而下、与地表相撞。你可能会认为,高速坠落的陨石会变得从里到外炽热无比,但实际上,陨石只有外层会变热,内部温度仍然较低。

但在与地表相撞的一刹那,陨石内部所受的压力将超过地表上的任何反应过程,导致陨石中的石墨被压缩成另一种晶体结构。这种新结构并不是钻石那样的立方体,而是属于六方晶系,硬度可比钻石高出58%。虽然蓝丝黛尔石在实际中往往含有大量杂质,导致硬度低于化石;但从理论上来说,如果有一颗不含任何杂质、由纯石墨构成的陨石击中地表,产生的物质硬度将远胜过地球上的所有钻石。

第4种、大力马

图为一根大力马绳索的近拍图。大力马是人类目前已知强度最大的纤维类材料。

从这里开始,我们就离开了天然物质的范畴。大力马是一种热塑性聚乙烯高聚物,分子量极高。我们所知的大部分分子都只有几千原子质量单位,但超高分子量聚乙烯的分子链极长,一个分子的重量便可达成百上千万原子质量单位。

有着如此长的分子链,分子间相互作用也会大大增强,形成的材料硬度自然不容小觑。事实上,该材料的冲击强度在所有已知热塑性塑料中高居榜首,被称作全世界最强纤维,性能胜过市面上所有锚绳和牵引绳,不仅重量比水还轻,还有防弹效果,强度高达等量钢铁的15倍。

第3种、钯微合金玻璃

图为钯金属玻璃形变部位的微距照片,可以看出大范围的塑性形变。放大图中箭头所指处为发生塑性滑动时产生剪切错位的痕迹。钯微合金是将高强度和高韧性结合得最好的已知材料。

所有物理材料都有两项重要性质:强度和韧性;强度指使材料发生形变需要施加的力,韧性指使材料破裂或断裂需要施加的力。大多数陶瓷材料都是强度很大、韧性不足,夹得太紧或不慎跌落都很容易破碎;橡胶等弹性材料则刚好相反,虽然不易破裂,却十分容易变形,硬度极低。

大多数玻璃材料都很脆弱,强度大、韧性低。即使是派热克斯或康宁玻璃等强化玻璃,作为材料本身的韧性也不够高。但在2011年,研究人员发明了一种新型微合金玻璃,包含磷、硅、锗、银、钯五种元素,其中钯元素可以形成剪切带,让玻璃受力时可以发生塑性形变、而不会直接破裂。这种材料集极高的强度与韧性于一身,不仅轻松打败了各类钢铁,这份榜单上名列其后的其它材料也都无法与之媲美。简而言之,这是世界上最坚硬的不含碳材料。

第2种、巴基纸

由碳纳米管制成的巴基纸可以阻挡直径50纳米以上的粒子通过。它具有独特的物理、化学、电学和机械性质。虽然可以折叠或剪断,但该材料强度极高。如果完全不含杂质,其强度可达同等体积钢铁的500倍。图为扫描电子显微镜下的巴基纸。

自20世纪末以来,有一种名叫碳纳米管的材料一直享有“硬度胜过钻石”的美名。该物质属于六方晶系晶体,结构整体呈椭圆形,稳定性胜过人类所知的任何结构。如果将大量碳纳米管组合成一个平面,就会得到一张薄薄的“纸”,名叫巴基纸。

除了巴基纸之外,还有一种同样坚硬的结构叫巴基球,由60个碳原子结合在一起组成。巴基球也算是一种天然材料,可以在特定宇宙环境中形成。虽然巴基球已在纳米领域得到了应用,但还未实现量化生产,暂时无法在宏观尺度上大展身手,因此未被列入这份“最坚硬材料榜”。

相比之下,构成巴基纸的每根纳米管直径只有2至4纳米,但这种结构极为强韧,可以结合成面积较大的薄片状材料。其重量只有钢铁的10%,但强度要高出成百上千倍。此外,这种材料具有防火性能,热传导效率极高,电磁屏蔽能力也极其突出,在材料科学、电子元件、军事、甚至生物领域都有丰富的应用前景。但巴基纸无法100%由纳米管构成,因此没能位居榜首。

第1种、石墨烯

最后让我们来看一种由碳原子组成的六方晶系晶格结构――石墨烯,其厚度只有一个原子那么厚。薄片状石墨烯一旦被成功制备出来,有望成为21世纪最具革命性的材料。石墨烯其实是碳纳米管最基础的结构要素,应用场景十分广泛。该产业市值目前虽只有数百万美元,但预计短短几十年之内便可跻身十亿级别。

就同等厚度而言,石墨烯是目前已知强度最大的材料,具有无与伦比的导热性和导电性,而且透光度接近100%。2010年诺贝尔物理学奖便颁发给了安德烈・盖姆和康斯坦丁・诺沃舍洛夫,奖励他们在石墨烯方面开展的实验。石墨烯的商业应用场景也是只增不减。到目前为止,石墨烯依然是我们已知最薄的材料。而且盖姆和诺沃舍洛夫从研究到获奖只用了六年时间,在物理届算是最快纪录之一了。

对更坚硬、更耐划、更轻薄、更强韧的材料的追寻将永无止境。如果人类能进一步推动可用材料的前沿,这些材料的应用场景也将不断增加。几代人之前,微电子、晶体管、以及操纵单个分子的概念还只存在于科幻小说中。而如今,这些技术都早已走入寻常百姓家,成了我们习以为常的一部分。

随着我们全力冲刺进入纳米时代,本文中介绍的这些材料对我们的生活质量将显得愈发重要、也会变得愈发常见。生活在这样一个文明中真是一件乐事。随着21世纪的蓝图徐徐展开,这些新材料的巨大潜力也将逐渐成为现实。(叶子)

来源:新浪科技