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nature comm：鑽石也會有玻璃心

金剛石是自然界最硬的物質，這主要源於其內部碳-碳共價鍵形成的極高的三維網狀結構。正是每一個碳原子和相鄰四個碳原子間SP3雜化共價鍵的結合，使金剛石素來享譽“硬度之王”、“寶石之王”的美稱。當然，除了高硬度，金剛石還具備已知最高熱導率、極高熔點、極高可見光折射率等優異性質。這也使得金剛石在機械切割、研磨、鑽探及其他尖端工業領域有著廣泛應用。

但“黃金無足色，白璧有微瑕”,作為一種晶體材料，金剛石的各向異性導致其在不同晶向的性質差異巨大。特別是其最易發生斷裂和破壞的解理麵，成為金剛石最大的“弱點”。其實，除了原子排列高度有序的晶體材料，還有一類材料—非晶態材料（如玻璃），由於原子排列的高度無序, 使其具有各方向性質都很均勻（即各向同性）的特點。當“金剛石”和“玻璃”這兩個概念相遇，能否將產生一種各方向均極強的各向同性的“玻璃態金剛石”呢？近幾十年來，盡管付出大量努力，科學家對於如何實現原子間化學鍵和金剛石一樣，內部原子排列卻像玻璃般無序的這個難題，仍束手無策。

近期，北京高壓科學研究中心的曾徵丹研究員及其團隊利用高壓技術結合激光原位加熱，在前人沒有探索過的溫度和壓力條件下（50萬個標準大氣壓，約1500 攝氏度）首次合成出完全非晶態的塊狀金剛石。這種新材料確認是由純sp3碳-碳鍵構成，同時也擁有一顆真正的“玻璃心”—內部原子被證明是高度無序的排列。因此，它具備金剛石和玻璃兩者的優點：碳原子間都以sp3鍵結合形成三維網絡結構，使材料表現出極高的強度（體彈性模量接近傳統金剛石）；性質均勻各向同性，使其不再存在晶體解理麵。從而有可能成為已知最強的玻璃態材料。

在過去長達三十年的時間裏，已有很多嚐試合成非晶態金剛石的研究，其主要途徑是通過氣相沉積技術來試圖合成具有相對高含量sp3鍵的非晶態碳薄膜，這種薄膜材料被稱為類金剛石碳材料（diamond like carbon）。然而，完全由sp3鍵結合而形成的“塊體非晶態金剛石”隻存在於理論計算中。北京高壓科學研究中心的這一研究，首次在高溫高壓下合成出這種原以為不可能存在的新材料，使得“玻璃態”金剛石從夢想變成現實，改變了人們對於金剛石的傳統認識；並且在卸掉壓力回到常溫常壓條件時仍然保持穩定的非晶態金剛石材料，也為進一步探索這一材料的各種性質和開發其潛在的應用成為可能。

也許，有一天，“鑽石恒久遠，一顆永流傳”的鑽戒會有兩個選項：“請問先生，您要選擇晶態的還是玻璃態的？”

左圖：金剛石及其內部的原子結構；右圖：“玻璃心”的非晶態金剛石的原子結構，玻璃球代表非晶態金剛石像玻璃一樣各向同性，可以加工成完美的球狀。

來源：知社學術圈 版權屬原作者 謹致謝意

最後更新：2017-10-07 22:18:09

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