“世界最硬物质”金刚石王座不保

2009年03月09日 9:8 5856次浏览 来源:   分类: 新技术

  长久以来,金刚石(钻石)一直占据着“世界最硬自然物质”的宝座,任凭科学家怎么摸索,都找不到比它更硬的材料。然而从去年开始,情况发生了变化。自从去年法德科学家做出了接近金刚石硬度的纳米材料之后,最近,上海交大的计算物理学家从理论上计算出了两种世界最硬物质的可能,其分别比常规的立方金刚石硬18%和58%。
  硬度是金刚石的1.5倍
  上海交大物理系的孙弘教授说,人类寻找最硬材料寻找了三十多年,投入了很多的资金,却一直没有突破金刚石的硬度。
  去年,一个法德合作小组做出了立方氮化硼和纤锌矿氮化硼两种材料的纳米颗粒混合物,其硬度接近金刚石。然而,立方氮化硼这种材料其实很“软”,硬度只有金刚石的60%左右,因此,默默无闻的纤锌矿氮化硼开始引起人们的注意。这种材料属于亚稳结构,在自然界和实验室中只以少量的微小颗粒形式存在。
  孙弘介绍,此前有人对它的硬度计算忽略掉了正向的压力这一重要影响,所以计算并不成功。“受力测试的时候,材料一般会经受垂直向下的压力,也有侧面向外推的力,后者的力一般会把材料破坏掉,但有些材料的垂直压力会阻碍侧向压力。”孙弘说。
  他与博士生潘梓诚进行了同样的计算,但考虑进了这个影响,最终从理论上得出结果,这种材料比已知最硬的立方金刚石还要硬18%。
  为了进行比较,他们还找来了同样属于亚稳结构的六方金刚石,相对于常规的立方金刚石,六方金刚石也是只能以很小的颗粒状存在,结果发现,它的硬度同样很高,甚至高于立方金刚石58%!他们的研究得以在最新一期的权威期刊《物理评论快报》上刊登。
  超硬材料应用广泛
  “现代物理学已经变成三足鼎立的状况,”孙弘说,“以前分成实验和理论两块,但理论必须依靠实验的参数,现在出现了计算物理,不需要任何实验参数,只要有最基本的元素,就可以在量子力学的基础上,通过大型计算机计算出来。从对大量已知材料的测试经验得知,它算出来的结果很精确,令人比较信服。”
  金刚石虽然是最硬的自然材料,但因为其碳结构的属性,在高温环境下不稳定,很容易与氧产生化学反应,与铁也很容易化合,因此没法用在很多工业上。
  更硬物质的出现,意味着工业和国防的大进步。国防上,可以将耐高温的超硬材料涂在导弹、坦克、钻地炸弹甚至防弹衣上。在工业上,有些深海海底钻井没法更换,更硬物质将提供很大的帮助。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,更硬的耐高温超硬材料在各个工业领域都应用广泛。
  孙弘表示,理论家测试,材料学家寻找材料,这是一个循环过程。虽然,纤锌矿氮化硼这种材料在实验环境下还很难做出大块的结构,但至少理论的实现为实践提供了研究方向,各类材料科学家今后会想尽办法地试验这种材料。也许在不远的将来,金刚石将真正从“最硬物质”的宝座上让位下来。 

责任编辑:hq

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