昨天，phys.org、Science Codex、ZeeNews、IEN、Kitco等多家媒體都在報導一件新鮮事：日本筑波市（Tsukuba）大學的研究人員在電腦上設計出了一種比鑽石硬度更高的碳基材料。這種材料被命名為「PentaDiamond」，將來也許可以用在一些難度較高的切割加工領域。
一直以來，鑽石都是自然界中最硬的天然物質，原因就是其中的碳原子共價鍵結構。然而，碳原子可以形成很多種不同的穩定結構，即我們所說的「同素異形體」（allotropes），其中就包括了石墨、碳納米管等等。
碳納米管（nanotubes）的硬度取決於裡面碳原子互相結合的方式。
對於傳統的鑽石而言，每一個碳原子和周邊的四個碳原子形成共價鍵（covalent bond）。我們可以粗淺地把這種化學結構叫做「SP3雜化」（如下圖）。
在碳納米管和其他的一些材料中，每個碳原子和周邊的三個碳原子形成共價鍵，這是SP2雜化。
筑波大學的研究者發現，如果碳原子以SP3和SP2混搭的方式組合，會產生奇妙的效果。
「同時存在SP2雜化和SP3雜化的碳同素異形體，具有更大的形態密度。」——藤井靖一。
研究小組為了計算最穩定的原子組合結構，採用了一種叫DFT（density functional theory，密度泛函理論）的計算方法。DFT之前在化學和固體物理領域被廣泛應用於預測材料的結構和屬性。一般來說，人們很難跟蹤一個材料中所有電子的量子態，但DFT卻採用近似的方法測算原子周圍空間內的電子密度，從而簡化了整個計算過程，也能通過電腦計算出非常精確的結果。
科學家發現，PentaDiamond的楊氏模量（Young's modulus，用於測量硬度）高達1700GPa，而傳統鑽石只有1200GPa。
有趣的是，PentaDiamond雖然比傳統鑽石更硬，但密度卻低得像石墨一樣。未來，PentaDiamond可能被用於切割、鑽探，以及用於再現行星內部高壓狀態的科研工作，具有很大的發展空間。
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編輯：闊耳狐