製作比金剛石更硬的晶體

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在地球的中央,數十億噸重的石塊產生的重壓是大氣層對地球表面壓力的三百萬倍。但是在德國巴伐利亞北部一個不起眼的實驗室裏,物理學家娜塔莉亞·杜布羅溫斯凱亞(Natalia Dubrovinskaia)可以用一台設備製造出超過這一壓力數倍的力量,而這台設備小到可以用雙手捧起。

她在一個小小的金屬錐體的頂部精確的擰好幾個螺絲就可以創造出比地心壓力大三倍的力量。讓人驚奇的是,她和她在拜羅伊特大學的同事們已經發現了一種超硬材料,可以承受這一巨大的壓力。它的硬度非常高,以至於能夠在金剛石上留下凹痕。而金剛石一直以來被認為是全世界最硬的物質。

這種新物質是現代煉金術數十年努力所達到的成就,科學家一直以來都在修改物質的化學結構以改變其屬性。其中很多人選錯了起點,也有很多人走進了死胡同,但是最近的這些成就可能會帶來廣泛的影響,從醫療技術的突破,到改變我們對遙遠世界的認識。

人類對堅硬材料的熱愛可以追溯到遠古時期。我們的祖先曾使用堅硬的石塊把其他較軟的石塊磨成刀刃。後來這些石塊逐漸被更加堅硬的材料取代,直到2000年前人類發明了鋼。鋼一度成為人們所知的最堅硬的材料,直至18世紀末科學家發現他們可以在工具的表面覆上一層金剛石。

雖然金剛石可以製成珠寶,但大多數金剛石在加工後被製成超硬塗層,把工具和鑽頭包裹起來,減少磨損。在開採業和石油業,金剛鑽頭是不可或缺的——沒有了它,他們便無法挖到幾百米深的地下獲得有價值的資源。「超硬塗層的用途多種多樣,從高速切割機,到深海鑽探,到天然氣和石油勘探,到生物醫藥的應用,」北卡羅來納州立大學的材料科學講席教授賈格迪什·納拉楊(Jagdish Narayan)說。

要理解一種材料堅硬的原因,就需要研究它的晶體的原子結構。

構成金剛石的碳原子也是柔軟的石墨的成分,石墨可以製成鉛筆芯。而這兩種碳材料的不同之處在於原子排列方式的不同。在石墨中,碳原子以平面六邊形層層排列,每一層之間的化學鍵較弱。

而在金剛石中,碳原子以四面體的形式緊緊相連,這種形狀非常牢固。再加上碳原子之間牢固的化學鍵,金剛石就變得非常堅硬。

「金剛石」這個詞本身來自於古希臘語adámas,意思是堅不可摧。不過,當壓力達到一定大小時,金剛石也會碎裂,晶體結構中的小瑕疵也會讓它變弱,使得金剛石容易解體。

對科學家來說,這會出現問題——如果你在研究材料的特點時需要使用很高的壓力,而地球上自然產生的最堅硬的材料都無法承受這一壓力,這時該怎麼辦?你需要找更加堅硬的東西。

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Image caption 金剛石是在地殼以下的高溫環境中鍛造出來的,只會在火山活動中被釋放出來(圖片來源:Getty Images)

錯誤的希望

無怪乎超硬材料的研究是以嘗試複製金剛石的結構開始,不過只有少數幾種元素可以形成金剛石的化學鍵。

其中之一就是氮化硼。它和碳一樣,是多形的,氮原子和硼原子可以代替碳原子構成類似金剛石的結構。1957年科學家製造出氮化硼立方體,一開始據稱它可以在鑽石上造成擦痕,不過很快美夢就變成泡影,試驗表明它的硬度還不及金剛石的一半。

接下來的幾十年,科學家通過多種方式在這三種元素之間建立化學鍵——氮、硼和碳——但都沒有取得成功。1972年,科學家終於用這種材料製造出薄膜,其結構類似於金剛石,但是缺點是它的製作需要複雜的化學反應以及很高的溫度。直到2001年,位於基輔的烏克蘭國家科學院(National Academy of Sciences of Ukraine)的研究人員與他們在法國和德國的同事才共同製作出類似金剛石的硼碳氮。雖然這種新材料的硬度超過了氮化硼立方體,但還是略遜於金剛石。

七年前,內華達大學的物理學家陳長風(音譯)和他在上海交通大學的同事認為他們找到了比金剛石更加堅硬的東西。根據他們的計算,一種奇怪的六角形氮化硼(也被稱為纖鋅礦型氮化硼)的硬度超過金剛石18%。這種稀有的材料具有和金剛石的四面體、氮化硼立方體類似的結構,區別在化學鍵的角度不同。計算機模擬實驗表明在高壓下,這些化學鍵具有靈活性,會調整到90度角以釋放壓力。

雖然金剛石的化學鍵在遇到壓力時也有類似的應對方式,但是纖鋅礦型氮化硼在高壓環境下的硬度會增強80%。但讓人意外的是,纖鋅礦型氮化硼的製造過程相當危險——它只會在天然的火山噴發的高溫高壓環境下產生,人工合成就必須模仿爆炸的環境。要想獲得足量的纖鋅礦型氮化硼就變得非常困難,而且這還有待更多的試驗。另一種相關物質六方金剛石(lonsdaleite)的研究也遭遇了類似的困境。這種材料能承受的壓力超過金剛石58%。

近幾年我們終於迎來突破。2015年,賈格迪什·納拉楊和他在北卡羅萊納州立大學的同事們融化了非晶體結構的碳,製成一種帶有快速激光脈衝的玻璃碳。製作方法是把它加熱到攝氏3700度後快速冷卻。這種冷卻的方法賦予了它另一個名稱,即Q-Carbon。這是一種奇怪的、但非常堅硬的新碳相。和其他碳相不同的是,它具有磁力,接觸到光線時還會發光。

這種材料的結構主要由類似金剛石的化學鍵和10%到15%的類似石墨的化學鍵組成。研究團隊的測試表明Q-carbon至少比鑽石硬60%,不過尚未最終確認。真正的硬度測試需要用比它更堅硬材料在它上面鑽洞。當使用兩枚金剛鑽頭擠壓Q-carbon樣品時,鑽頭髮生變形。納拉楊說。

正在此時杜布羅溫斯凱亞鐵砧才登場亮相。她的新材料是一種被稱為納米晶體金剛球的獨特碳相。它不是像訂婚鑽戒所用的鑽石那樣的單晶體結構,而是大量小晶體的結構——每個晶體的大小僅為發絲寬度的11000分之一——它們通過石墨的層狀結構連接。這種諾貝爾獎水平的奇妙材料的厚度僅為一個碳原子。

金剛石在1200億帕的壓強下會碎裂,而這種新材料能夠承受至少4600億帕。當把多層新材料壓到一起產生10000億帕的高壓時,它也不會破損。這種小球體已經是地球上已知的最硬的東西。打個比方,這相當於3000頭成年非洲象站在一隻高跟鞋的細跟上。「這是所有已知的超硬材料中最硬的材料,它能在其他所有材料上壓出痕跡來。」 杜布羅溫斯凱亞說。

這些納米晶體金剛球體還是透明的,研究人員可以把它們當作微小的透鏡,用X光來觀察被擠壓的材料。「我們可以通過它來觀察被擠壓的材料會發生什麼變化。」 杜布羅溫斯凱亞說,「超高壓為加深對物質的理解打開了新的視野。」

杜布羅溫斯凱亞和她的同時已經憑借這種材料對鋨進行了研究。鋨是抗壓能力很強的一種金屬。他們發現,鋨能夠承受超過7500億帕的擠壓力。當達到這個壓力時,金屬原子內部原來緊緊相連的電子和質子開始發生互動。研究人員認為,這種更奇怪的現象可能導致金屬從固態變成未知的物質狀態。他們希望未來能夠研究這會給鋨帶來什麼屬性。

這些超硬的納米金剛石已經超越了提供新的堅硬邊緣以切割石塊和金屬的功能。粉末狀的納米金剛石可用於化妝工業,它具有高度的吸附性,可以和活性物質結合。它們很容易被皮膚吸收,這樣就把活性物質帶入皮膚。醫藥工業也開始研究其用途,比如它可以把藥物帶入化療難以觸及的人體的一些部位。研究還表明納米金剛石可以促進骨骼和軟骨的生長。

該研究最深遠的影響是有可能解開太陽系的一些謎團。下個月將舉行國際專家會議,會上將討論這些新的可能性。通常認為地球中心的壓力最高為3600億帕,而圍繞太陽系公轉的最大的行星——木星,其中心壓力為45000億帕。

在這樣的壓力下,元素會發生奇怪的變化。比如氮——地球上一種平常的氣體——會變得像金屬一樣,並開始具有導電性。杜布羅溫斯凱亞和杜布羅溫斯基(Dubrovinsky)希望他們的超硬金剛石能夠幫助我們創造宇宙中的這些環境。「我們可以開始模擬巨大行星或太陽系外的超級地球的內部環境。」 杜布羅溫斯凱亞說,「我覺得更讓人驚奇的是讓我們做到這件事的設備小到可以雙手捧住。」

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