比钻石更硬的材料出现了

昨

天，phys.org、Science Codex、ZeeNews、IEN、Kitco等多家媒体都在报道一件新鲜事：日本筑波市（Tsukuba）大学的研究人员在电脑上设计出了一种比钻石硬度更高的碳基材料。这种材料被命名为“PentaDiamond”，将来也许可以用在一些难度较高的切割加工领域。

一直以来，钻石都是自然界中最硬的天然物质，原因就是其中的碳原子共价键结构。然而，碳原子可以形成很多种不同的稳定结构，即我们所说的“同素异形体”（allotropes），其中就包括了石墨、碳纳米管等等。

碳纳米管（nanotubes）的硬度取决于里面碳原子互相结合的方式。

对于传统的钻石而言，每一个碳原子和周边的四个碳原子形成共价键（covalent bond）。我们可以粗浅地把这种化学结构叫做“SP3杂化”（如下图）。

在碳纳米管和其他的一些材料中，每个碳原子和周边的三个碳原子形成共价键，这是SP2杂化。

筑波大学的研究者发现，如果碳原子以SP3和SP2混搭的方式组合，会产生奇妙的效果。

“同时存在SP2杂化和SP3杂化的碳同素异形体，具有更大的形态密度。”——藤井靖一。

研究小组为了计算最稳定的原子组合结构，采用了一种叫DFT（density functional theory，密度泛函理论）的计算方法。DFT之前在化学和固体物理领域被广泛应用于预测材料的结构和属性。一般来说，人们很难跟踪一个材料中所有电子的量子态，但DFT却采用近似的方法测算原子周围空间内的电子密度，从而简化了整个计算过程，也能通过电脑计算出非常精确的结果。

科学家发现，PentaDiamond的杨氏模量（Young's modulus，用于测量硬度）高达1700GPa，而传统钻石只有1200GPa。

有趣的是，PentaDiamond虽然比传统钻石更硬，但密度却低得像石墨一样。未来，PentaDiamond可能被用于切割、钻探，以及用于再现行星内部高压状态的科研工作，具有很大的发展空间。