審核專家：甘強

北京理工大學講師，應用化學博士

鑽石是經過打磨雕琢的金剛石，同時也是世界上硬度等級最高的寶石。鑽石也因其超強的硬度被人們賦予美好的意義，象征着堅不可摧的愛情。

來源 | 網絡

但有誰能想到，在這變心比翻書還要快的時代，不僅愛情變得虛無缥缈（單身不香嗎），就連鑽石也跌下了“神壇”？

近日，我國燕山大學的國家重點實驗室成功合成了一種新型非晶材料——AM-III。AM-III的密度與金剛石十分接近，但是其維氏硬度HV（表示材料硬度的一種标準）卻可以達到113 GPa，可以劃傷單晶金剛石。

這不禁讓人感到驚訝，AM-III是何方神聖，竟然可以在被譽為“硬度之王”的金剛石上留下劃痕？

我們都知道，金剛石是碳元素以單質形态出現的一種結構。除了金剛石，碳元素還以石墨、富勒烯、碳納米管、石墨烯等形式出現在大家面前。而AM-III就是采用富勒烯C60在高溫高壓環境下獲得的一種新型非晶碳材料。

在這裡插入解釋一個概念，什麼是非晶材料？這個問題還要從金剛石為何如此堅硬說起！

金剛石的結構模型 來源 | 新華網

金剛石的堅硬取決于它的分子結構。金剛石的每個碳原子都可以與相鄰的4個碳原子緊密結合成三椎結構，而且不管是上下，還是左右，相鄰碳原子之間的距離相同。就是這樣無數個相同的三椎結構“排兵布陣”，讓金剛石成為了天然存在的最堅硬的物質，其中這種排列有序、有規律的分子結構狀态就是晶态。

由晶态反向而推之就是非晶态，說白了其實就是分子排列不整齊、沒有規律的結構狀态，也就是AM-III的分子排列狀态。

同樣是碳原子構成的，難道因為分子排列不同，AM-III就可以劃傷金剛石？

其實并非如此！

AM-III的密度為3.30 克/立方厘米，與密度約為3.5-3.53克/立方厘米金剛石相當。在密度相當的情況下，AM-III的維氏硬度為113 GPa，天然鑽石的維氏硬度約為70-100GPa（實驗采用單晶金剛石的001面維氏硬度為103 GPa）。如此看來，AM-III劃傷金剛石是一件極為輕松的事情。

一塊 1 毫米寬的 AM-III 玻璃在天然鑽石表面留下劃痕 來源 | 鳳凰網

或許這些數據無法讓你感受到AM-III到底有多堅硬，但是你可以想象鋼有多硬、防彈玻璃有多硬，而AM-III要比鋼硬十倍，比大多數防彈玻璃堅固20到100倍。

AM-III不是隻有硬這一個優點。據了解，AM-III的帶隙（導帶的最低點和價帶的最高點的能量差）介于1.5-2.2 eV之間，與常用的非晶矽薄膜半導體的帶隙相當，在光伏領域具有十分廣闊的應用前景。

除此之外，AM-III與矽類似，是一種極為高效的半導體，所以它還是可以在高壓和高溫等極端環境下運作的光電設備。

其實，比金剛石硬度高的物質不止AM-III，人類在很早之前就發現了比金剛石還硬的物質，比如石墨烯、碳炔、纖鋅礦型氮化硼等等。

石墨烯薄片示意圖 來源 | 新華網

從石墨中可提取出一種叫做石墨烯的二維碳原子晶體，比金剛石還堅硬，強度比世界上最硬的鋼鐵還要高上100倍。

硫化碳炔相關示意圖 來源 | 快資訊

碳炔是碳原子組成的單鍊，它是人類目前已經發現的納米材料中最硬的材料，其硬度是鋼鐵的兩百多倍。也就是說，它的硬度大約是金剛石的3倍。

纖鋅礦型氮化硼 來源 | 快資訊

纖鋅礦型氮化硼與前兩種不同，它是一種天然材料，其硬度比金剛石要高出18%。因為纖鋅礦型氮化硼形成比較特殊，是在火山爆發的過程中形成的，所以比較稀有，比金剛石還要少見。

不過纖鋅礦型氮化硼的“親戚”——氮化硼非常常見。氮化硼有是纖鋅礦氮化硼（WBN）、菱方氮化硼（RBN）、六方氮化硼（HBN)和立方氮化硼（CBN）四種變體，這些變體都具有堪比金剛石的維氏硬度哦！

聚合鑽石納米棒 來源 | 網易

除此之外，還有一種被稱為“超鑽石”的物質聚合鑽石納米棒也比金剛石硬。聚合鑽石納米棒是由超高硬度的石墨烯壓縮而成的，一般情況下，金剛石的彈性模量在442GPa-446GPa左右，而“超鑽石”能夠達到491GPa，其硬度可以比金剛石高0.4%。

如果将這些物質放在一起，大概的硬度排名為：

金剛石≈氮化硼4變體<聚合鑽石納米棒<AM-III<纖鋅礦型氮化硼<石墨烯的二維碳原子晶體<碳炔（此結果為個人分析所得）。

平時我們看到比自己厲害的人總會感歎“人外有人，天外有天”。看完這些，真的不得不感歎原來“石外有石”啊！

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