電影中的反派要實施世紀犯罪,需要一種比地球上任何東西都硬的切割工具,這只是時間問題。也許是一場入室盜竊,需要切割一個由鑽石製成的箱子——正如我們從無數的搶劫電影中學到的那樣,鑽石本身就硬到足以切割玻璃。或者,也許這是一個邪惡的計劃,基於用世界上最硬的鑽頭在地球深處鑽孔。
無論情節如何,具有科學頭腦的編劇最好將目光轉向立方氮化硼,這種材料在許多方面與鑽石相似。氮化硼可以被壓縮成超硬、透明的形式——但與鑽石和許多其他以極端硬度著稱的材料不同,它不是基於碳,而是基於硼和氮原子的晶格結構。計算機模擬表明,如果能夠合成出大塊樣品,一種稀有的氮化硼晶體形式的抗壓效能會比鑽石更好,而且實驗室實驗表明,更容易獲得的這種物質的形式已經接近鑽石的硬度。
現在,對奈米結構形式的氮化硼進行的一組新實驗,獲得了比以前更高的硬度測量值。根據發表在1月17日《自然》雜誌上的一項研究報告的作者稱,這種新材料的硬度超過了某些形式的鑽石。(《大眾科學》是自然出版集團的一部分。)但是,量化超硬材料的特性是一項棘手的任務,而且至少有一位主要研究人員仍然不相信該研究的作者發現了任何新東西。
關於支援科學新聞
如果您喜歡這篇文章,請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道: 訂閱。透過購買訂閱,您正在幫助確保關於塑造我們今天世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
多年來,科學家們一直致力於縮小材料結構中的單個晶粒,因為晶粒之間的邊界可以阻止內部運動並幫助抵抗變形,就像一個大型結構內的一系列微小牆壁。該最新研究的主要作者、中國燕山大學的田永軍表示,研究人員這項最新努力的本質是,透過生成稱為“超細奈米孿晶”的特徵,來減小材料內微觀結構的尺度。奈米孿晶是一種晶體片段,它反映了材料內部介面(所謂的孿晶邊界)另一側原子的取向。因此,由奈米孿晶域製成的多晶體有點像一塊膠合板,其中木紋在每個連續層中反轉方向。在田和他的同事合成的氮化硼多晶體中,奈米孿晶片段的平均寬度僅為3.8奈米。(一奈米是十億分之一米。)
研究人員用圓形的氮化硼奈米粒子製造了他們的樣品,在這些奈米粒子中,氮和硼的原子形成了巢狀層的洋蔥狀結構。這些奈米粒子被壓制成宏觀顆粒,並受到高壓和高溫的影響,聚結成包含許多孿晶域的微小晶粒。田解釋說,洋蔥狀的前體含有許多缺陷,在高溫高壓下,晶體可以在這些缺陷處成核,但會抵抗快速的晶體生長,從而在較大的、略微無序的多晶結構內產生許多離散的晶體有序區域。
在高於1800攝氏度的溫度和高達15吉帕斯卡(大約每平方釐米150,000公斤力)的壓力下,氮化硼顆粒形成了大約2毫米寬的圓形團塊,“無色且完全透明,因此它們在外觀上看起來像玻璃和鑽石,”田說。他和他的同事確定,這些樣品的測量硬度高達108吉帕斯卡——略高於合成鑽石,但低於由奈米級晶粒製成的多晶鑽石。
但是,德國拜羅伊特大學的晶體學家納塔利婭·杜布羅維斯卡婭指出,測量超硬材料的特性是有問題的,因為它需要使用更硬的材料作為參考。例如,維氏硬度測試是這項新研究的作者用來測量奈米孿晶氮化硼硬度的測試方法,它測量的是材料在承受來自金字塔形鑽石尖端的壓力時的反應,該鑽石尖端被稱為壓頭。隨著施加在鑽石金字塔上的力(以牛頓為單位測量)的增加,材料抵抗壓痕的能力在其所謂的漸近值(以吉帕斯卡為單位測量)處趨於平緩。但是,該測試的前提是鑽石會進行壓痕,而不是反過來。“如果壓頭的硬度低於被探測的材料,那麼它就完全沒有意義,”杜布羅維斯卡婭說。
對超硬材料的追求不僅僅是為了創造紀錄。氮化硼已經被用於切割極其堅韌的材料,杜布羅維斯卡婭還列舉了資源開採的鑽探作為另一個應用。“我們仍然需要非常堅硬的材料來探索地球內部更深的地方,”她說。在某些方面,例如在高溫下的穩定性,氮化硼優於鑽石。
因此,她指出,“如果研究人員證明多晶氮化硼的硬度值超過100吉帕斯卡,那麼這很可能是該領域的一項突破。”她警告說:“該論文沒有提供任何證據證明該材料如此堅硬。” 新研究中的資料僅顯示了納米孿晶氮化硼在承受高達7牛頓的壓痕載荷時的反應。“但是他們在論文中報告說,他們在這種材料中載入了更高的載荷,並且在壓痕周圍獲得了大量的裂紋,”杜布羅維斯卡婭指出。她說,如果硬度測量值在較高的載荷下下降,那麼氮化硼樣品的真實值可能更接近80或85吉帕斯卡。該測量值與她和她的同事在2007年報道的另一種高壓高溫合成奈米結構氮化硼的資料相符。在發表於《應用物理快報》上的這項工作中,杜布羅維斯卡婭和她的同事們展示了使用高達10牛頓載荷進行的維氏測試資料。