中原科学家造出了全天地最硬的玻璃连钻石都能划伤

　　叙起最硬的物质，大家脑海里会体现出什么呢？或者率会是象征着爱情与忠贞，还异常腾贵的钻石吧。轨则性排列的晶体结构付与了钻石刚强的品质，但它在硬物撞击下也随便发作摧毁。而看似没有规律的玻璃态则在小边界内具有奇特的顺序性。棍骗可调变的顺序性，中原科学家建树出了最硬的玻璃，它以致能够划伤钻石，还不易破碎。

　　在150千米深的地球内里，倔强的岩石早已在高温高压下局限熔解。这里的温度超过1000℃，压力更是特别于地表的5万倍。在相似炼炉的情景中，自然界中最奇异的改造正在实行。流程数亿年的时辰，清淡无奇的六边形石墨晶体慢慢变卦成了光后光后的天然金刚石（钻石）——这不光是多半人速乐婚姻的见证，也是自然界最刚毅的物质。

　　金刚石极其矫健的来源在于其分子组织。在金刚石中，每个碳原子的杂化格局都是sp3杂化。也就是说，分散在这4个杂化轨途上的价电子，会分手与别的4个碳原子的价电子连结造成共价键，构成正四面体。正是云云坚固而慎密的立体组织，赋予了金刚石极高的硬度。同时，金刚石中通盘的价电子都参加了共价键的造成，没有自由电子，这种非常的晶体组织使得金刚石不具导电性。

　　虽然金刚石的硬度在自然界可谓无敌，但假使我将女朋友的钻戒砸向地面，却有可能目击钻石的漏洞，甚至是冲锋陷阵。这是原由金刚石虽硬却脆，在遭受硬物撞击时轻易打破。到底上，对待超硬晶体质料来谈，硬度和韧性不时不行兼得。这紧张归根于金刚石的原子晶体组织：金刚石晶体由周期性一再布置的布局单元构成，正是这种有序性使得晶体差别朝向的布局各不宛如，晶体的硬度也随着晶向的改动而大白各向异性，那些“较软”的晶面就成为了金刚石的“软肋”。

　　在质料范围，一个与“晶体”相对应的概思是“玻璃”。与有序的晶体相反，玻璃态，也就口舌晶体原料具有相对无序的布局，只在几个原子的小区域内具有短程有序性。这种具有肯定序次的错杂构造会透露什么预料不到的机能？

　　比来，在一项揭晓于《国家科学挑剔》（NSR）杂志的征询中，来自燕山大学的商讨团队就研制出了一种簇新的玻璃质量——不光硬度越过了金刚石，而且完全金刚石不完全的韧性，以及半导体性质。

　　指挥这项磋议的田永君院士不绝深耕于超硬质料边界，例如早在2013年，你们就带领团队合成了一种硬度超过金刚石的纳米孪晶立方氮化硼，这项粉碎也登上了《自然》期刊。而在最新的商量中，田永君团队独揽的原材料是富勒烯（C60）。富勒烯的碳原子都是sp2杂化，布局规整，具有高度的对称性。于是，在800℃下，5GPa的压力就足以作怪富勒烯高度对称的组织。

　　商酌团队正是捉弄了这一本性，所有人们逸想在合适的高温高压条款下瓜分富勒烯的晶体布局，使本来结构中的sp2杂化碳更大水准地向sp3杂化更正。将其解构的目标即是要再重筑，以得到组织无序、不“完备”的玻璃态。为此，他们抉择在25GPa的高压条目下不断普及温度。随着温度的抬高，规整的晶体结构逐步分割，在800℃时就可以由晶体结构完全变化为玻璃态。

　　此后，追随着温度的进一步提高，猜想不到的改换发现了。在1000℃时，质地在X射线衍射光谱中不再暴露出好似于石墨的结构特质峰，而是察觉了对应于金刚石晶面的宽衍射峰。这一点绝对分歧于以往合成的玻璃态碳质量——此前报途的玻璃态碳质地都会表露与石墨布局好似的衍射峰，也便是叙，碳原子的紧急杂化样子还是是sp2。而在最新筹商中，富勒烯sp2杂化碳垂垂转移为sp3杂化，并在1000℃时，sp3杂化的正四面体结构自后者居上，攻下了主导的场合。

　　对付磋议团队来叙，1000℃只是一个初步。当全班人们不竭抬高反响温度，碳原子中sp3杂化的比例越来越高——电子能量亏损谱阐述，在1000℃、1100℃和1200℃时，sp3杂化程度分手约为69%、77%和94%。sp3杂化程度越高，质地的密度也越大。在高分袂率透射电镜下，平衡“粒径”也越来越小，分布趋于均匀。看待玻璃态来谈，这测量了简直噜苏结构中的次第性，意味着逐渐灰心的芜乱度与随之提升的循序性。商议团队离别将1000℃、1100℃和1200℃下的新型“玻璃”命名为AM-I、AM-II和AM-III。（AM即amorphous，浮现玻璃态。）

　　此中，1200℃时造成的sp3杂化水准最高、最为仔细的AM-III分外引人眷注。对AM-III的力学性格测定披露，其维氏硬度（HV）高达~113GPa，可能刻划维氏硬度为103GPa的单晶金刚石晶面。除了超高的硬度之外，AM-III的强度也可能与金刚石相媲美：这种质料的外观能经受高达~70GPa的压力而不会感觉破绽。这是迄今为止发觉的最硬、最强的玻璃态的碳。

　　其它，玻璃态AM-III的高硬度在原料内部的各个宗旨都根底近似，即具有各向同性。比较于因各向异性而存在“软肋”的金刚石，AM-III举动一种新型玻璃，圆满管理了超硬晶体韧性亏空的问题。

　　除了超硬、超强的力学本性外，AM-III也是半导体，它的带隙（导带的最低点与价带的最高点的能量之差）界限为1.5~2.2eV，与最常用的半导体非晶硅薄膜的带隙非常。所以，这种结关了精良的力学机能与半导体性能的新型“玻璃”有望在光伏（将太阳能调换为电能）边界大展技艺。

　　这不是该团队第一次在超硬质量畛域进行云云改善的试验。现时，新的尝试揭穿了无序玻璃可以媲美有序晶体的可能性。一步一步解构晶体组织，再酿成新的化学键，最终取得布局无序、不完善的玻璃态。这些天性上具有独特序次的罗唆布局，却能带来惊喜，甚至有可以超过有序的完善晶体。它让科学家看到欺诈冗长中的程序，可以将“玻璃”的特性表现到极致。