除了奢侈的含义外,钻石还因其更有形、更有用的特性——地球上最坚硬的材料——而受到追捧。这种闪闪发光的矿物的耐用性在 70 至 150 吉帕 (GPa) 之间,使其成为重型钻头、牙医工具和航天器防护罩的首选组件。
不幸的是,钻石的开采和制造都存在弊端,因此材料专家们一直致力于合成一种称为碳氮化物的竞争对手——但一直不成功。然而,经过三十多年的反复试验,由于爱丁堡大学与德国拜罗伊特大学和瑞典林雪平大学的研究人员之间的合作,这种失败的记录终于结束了。
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正如在《Advanced Materials》上发表的一项新研究中所述,由爱丁堡大学有其恰当命名的极端条件科学中心(Center for Science at Extreme Conditions)的专家领导的一个团队成功制造出了碳氮化物——这是自 1989 年以来一直让研究人员感到困惑的成就。正如《New Scientist》解释的那样,这些样本的尺寸为 5 微米宽、3 微米深,硬度在 78 至 86 GPa 之间,比世界上第二硬的材料——立方氮化硼(通常得分为 50 至 55 GPa)更坚硬。尽管碳氮化物的制造证实了材料研究人员早期理论的一部分(即它们可以被合成),但这些样本并没有取代钻石作为已知最硬的物质。因此,专家们现在认为钻石可能永远是可能的最硬的材料。
为了实现这一切,研究人员首先通过将碳氮化物中的碳和氮前驱体压缩在两个钻石尖端之间,使其承受的压力大约是地球大气压的 700,000 倍。同时,激光将前驱体加热到大约 2732 华氏度。基本上,他们模拟了仅存在于地球数千英里深处才能找到的条件。
然后,在欧洲三个独立的粒子加速器上,使用强烈的 X 射线束对生成的碳氮化物进行了评估。据爱丁堡大学12 月 14 日的公告称,这样,该团队确定其合成的三个样本含有“超硬度所必需的构成元素”。不仅如此,这些新材料在冷却并恢复到正常大气压后仍保持其硬度。
爱丁堡大学凝聚态物理与复杂系统研究所的未来领袖研究员 Dominique Laniel 通过该校的公告说:“我们难以置信地生产出了过去三十年来研究人员一直梦想的材料。这些材料为弥合高压材料合成与工业应用之间的差距提供了强有力的激励。”
在进行进一步的计算和实验后,研究人员认为合成碳氮化物还可能具有光致发光和高能量密度,这意味着极少量就可以储存相当大的能量。更直白地说:碳氮化物可能成为一些强大的炸药。
目前,成本是阻止大规模碳氮化物生产的主要因素。为了制造更大的样品,研究人员需要更大的钻石来施加必需的压力——这至少可以说是一种昂贵的实验室工具。尽管如此,钻石在压力下无法产生电信号,也肯定不会以其爆炸性而闻名。合成碳氮化物有一天可能会在许多应用中成为“可与钻石媲美的终极工程材料”,但前提是经济和行业可行性得到保证,而这需要付出更多努力。