钻石也称之为“金刚石”,是一种天然矿物,是目前已知自然界中最为坚硬的物质,钻石是在地球深部高压、高温条件下,经过很长时间形成的一种由碳元素组成的单质晶体。
由于钻石的耐高温、散热快、透光性强,还能防腐蚀等特性,其在工业材料领域应用非常广泛,有着不可替代的地位。然而即便如此,世界各国仍在探寻比钻石更为坚硬物质,原因是钻石实在是太过珍贵了,远远不能满足人类的需求。
既然钻石这么重要,还有没有比它更加坚硬的物质呢?
其实,关于超硬材料的研究最早始于上世纪80年代末,当时有一名美国科学家提出了一个计算物体硬度的公式。这个公式显示β-C3N4应该比其它东西还要硬一些。
非结晶碳氮这种蓝灰色物质能够被轻易地在实验室中制造出来,但科学技术已证明得到超硬晶体是一件极为困难的事情。
为了得到比钻石还硬的物质,研究者可谓费尽心思。他们将碳氮和钛氮薄层置于室温之下,再用一个叫做“磁控溅射”的方法将气体分子向固体目标射击。如此一来,气体分子会除去目标表面的原子,并与他们发生化学结合,最后再从那里反射回来并沉淀在附近的表面上。
研究小组还把氮分子发射到一个一半涂碳一半涂钛的目标物上,当目标物旋转时氮原子被交替击在物料上,并在一个紧靠目标物的表面上产生了连续的碳氮层和钛氮层。钛氮和非结晶碳氮都是坚硬的物质,而淡桃红色的合成材料硬度是其中任何一个的两倍。但是,它仍然没有钻石那么硬。
不过,研究仍在继续,因为那些比钻石更硬(也更便宜)的东西将会有一个广阔的利用空间。超硬材料可以用来切割钢铁,这是钻石无法做到的,应为钻石受热之后会燃烧起来。同样,我们也不可能在金属上涂上一层钻石。
而如果在齿轮和轴承这些机械结构上涂一层β-C3N4,它们将会比普通部件的使用寿命更长,除此之外,还可以在一些液体润滑剂不适用的设备上使用。一层薄薄的β-C3N4也可以用来保护电脑光盘的表面。
随着材料科学的不断发展,科学家相继研制出了氮化硼和蓝丝黛尔石(也叫六方金刚石、六方碳)。这两种物质分别比钻石高15%和58%,不过,这两种物质非常罕见而且不太稳定。