电影中的反派要实施世纪犯罪,需要一种比地球上任何东西都硬的切割工具,这只是时间问题。也许是一场入室盗窃,需要切割一个由钻石制成的箱子——正如我们从无数的抢劫电影中学到的那样,钻石本身就硬到足以切割玻璃。或者,也许这是一个邪恶的计划,基于用世界上最硬的钻头在地球深处钻孔。
无论情节如何,具有科学头脑的编剧最好将目光转向立方氮化硼,这种材料在许多方面与钻石相似。氮化硼可以被压缩成超硬、透明的形式——但与钻石和许多其他以极端硬度著称的材料不同,它不是基于碳,而是基于硼和氮原子的晶格结构。计算机模拟表明,如果能够合成出大块样品,一种稀有的氮化硼晶体形式的抗压性能会比钻石更好,而且实验室实验表明,更容易获得的这种物质的形式已经接近钻石的硬度。
现在,对纳米结构形式的氮化硼进行的一组新实验,获得了比以前更高的硬度测量值。根据发表在1月17日《自然》杂志上的一项研究报告的作者称,这种新材料的硬度超过了某些形式的钻石。(《大众科学》是自然出版集团的一部分。)但是,量化超硬材料的特性是一项棘手的任务,而且至少有一位主要研究人员仍然不相信该研究的作者发现了任何新东西。
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多年来,科学家们一直致力于缩小材料结构中的单个晶粒,因为晶粒之间的边界可以阻止内部运动并帮助抵抗变形,就像一个大型结构内的一系列微小墙壁。该最新研究的主要作者、中国燕山大学的田永军表示,研究人员这项最新努力的本质是,通过生成称为“超细纳米孪晶”的特征,来减小材料内微观结构的尺度。纳米孪晶是一种晶体片段,它反映了材料内部界面(所谓的孪晶边界)另一侧原子的取向。因此,由纳米孪晶域制成的多晶体有点像一块胶合板,其中木纹在每个连续层中反转方向。在田和他的同事合成的氮化硼多晶体中,纳米孪晶片段的平均宽度仅为3.8纳米。(一纳米是十亿分之一米。)
研究人员用圆形的氮化硼纳米粒子制造了他们的样品,在这些纳米粒子中,氮和硼的原子形成了嵌套层的洋葱状结构。这些纳米粒子被压制成宏观颗粒,并受到高压和高温的影响,聚结成包含许多孪晶域的微小晶粒。田解释说,洋葱状的前体含有许多缺陷,在高温高压下,晶体可以在这些缺陷处成核,但会抵抗快速的晶体生长,从而在较大的、略微无序的多晶结构内产生许多离散的晶体有序区域。
在高于1800摄氏度的温度和高达15吉帕斯卡(大约每平方厘米150,000公斤力)的压力下,氮化硼颗粒形成了大约2毫米宽的圆形团块,“无色且完全透明,因此它们在外观上看起来像玻璃和钻石,”田说。他和他的同事确定,这些样品的测量硬度高达108吉帕斯卡——略高于合成钻石,但低于由纳米级晶粒制成的多晶钻石。
但是,德国拜罗伊特大学的晶体学家纳塔利娅·杜布罗维斯卡娅指出,测量超硬材料的特性是有问题的,因为它需要使用更硬的材料作为参考。例如,维氏硬度测试是这项新研究的作者用来测量纳米孪晶氮化硼硬度的测试方法,它测量的是材料在承受来自金字塔形钻石尖端的压力时的反应,该钻石尖端被称为压头。随着施加在钻石金字塔上的力(以牛顿为单位测量)的增加,材料抵抗压痕的能力在其所谓的渐近值(以吉帕斯卡为单位测量)处趋于平缓。但是,该测试的前提是钻石会进行压痕,而不是反过来。“如果压头的硬度低于被探测的材料,那么它就完全没有意义,”杜布罗维斯卡娅说。
对超硬材料的追求不仅仅是为了创造纪录。氮化硼已经被用于切割极其坚韧的材料,杜布罗维斯卡娅还列举了资源开采的钻探作为另一个应用。“我们仍然需要非常坚硬的材料来探索地球内部更深的地方,”她说。在某些方面,例如在高温下的稳定性,氮化硼优于钻石。
因此,她指出,“如果研究人员证明多晶氮化硼的硬度值超过100吉帕斯卡,那么这很可能是该领域的一项突破。”她警告说:“该论文没有提供任何证据证明该材料如此坚硬。” 新研究中的数据仅显示了纳米孪晶氮化硼在承受高达7牛顿的压痕载荷时的反应。“但是他们在论文中报告说,他们在这种材料中加载了更高的载荷,并且在压痕周围获得了大量的裂纹,”杜布罗维斯卡娅指出。她说,如果硬度测量值在较高的载荷下下降,那么氮化硼样品的真实值可能更接近80或85吉帕斯卡。该测量值与她和她的同事在2007年报道的另一种高压高温合成纳米结构氮化硼的数据相符。在发表于《应用物理快报》上的这项工作中,杜布罗维斯卡娅和她的同事们展示了使用高达10牛顿载荷进行的维氏测试数据。