世界上最硬的東西是什麼?
長期以來,鑽石普遍被認為是硬度冠軍,廣泛被用於從工業鑽頭到裝飾珠寶。立方氮化硼,一種合成材料,排在第二位,直到科學家發現了氮化硼的另一種晶體結構,並觀察到它在高應力下獨特的原子鍵重排,使得它的硬度超過了鑽石。
具有相同化學成分的不同晶體結構,稱為同素異形體,這在自然界中很常見,晶體中不同的原子鍵方向和對稱面導致了不同的物理性質。研究人員過去曾對氮化硼的纖鋅礦結構(w-BN,三維六邊形重複排列)進行過研究,其性能不如立方氮化硼。但是使用一個標準硬度測試——壓痕實驗,用一個小的錐體壓入材料並測量所需的力,科學家發現了w-BN實際上硬度高於鑽石達到114Gpa(1650萬磅/平方英寸),比鑽石高18%,鑽石的硬度值是97Gpa。
在壓痕過程中,壓頭作用下的較大正壓壓力可以使纖鋅礦型氮化硼的一些鍵會翻轉約90度,迫使w-BN形成較強的結構,從而顯著提高其強度。在鍵翻轉後,w-BN的硬度值增加了78%,纖鋅礦型氮化硼在自然條件下可由火山爆發時產生的高熱和高壓下產生。
但纖鋅礦型氮化硼仍舊不屬於最硬材料,六方金剛石(lonsdaelite),一種鑽石的同素異形體,與w-BN有著相似的結構。在硬度壓痕時也會發生同樣的鍵翻轉過程,全碳結構的硬度為152 GPa,優於金剛石和w-BN,比普通金剛石高58%。六方金剛石是一種稀有但自然可能存在的礦物,比如巨大隕石撞擊地球表面時也能產生合成六方金剛石形成所需的條件,因此也有可能自然產生。
上面幾種都是可能在自然條件下產生的材料,現代科技合成的人工材料如石墨烯和碳炔的硬度都被證明高於上述幾種。