审核专家：甘强

北京理工大学讲师，应用化学博士

钻石是经过打磨雕琢的金刚石，同时也是世界上硬度等级最高的宝石。钻石也因其超强的硬度被人们赋予美好的意义，象征着坚不可摧的爱情。

来源 | 网络

但有谁能想到，在这变心比翻书还要快的时代，不仅爱情变得虚无缥缈(单身不香吗)，就连钻石也跌下了“神坛”？

近日，我国燕山大学的国家重点实验室成功合成了一种新型非晶材料——AM-III。AM-III的密度与金刚石十分接近，但是其维氏硬度HV(表示材料硬度的一种标准)却可以达到113 GPa，可以划伤单晶金刚石。

这不禁让人感到惊讶，AM-III是何方神圣，竟然可以在被誉为“硬度之王”的金刚石上留下划痕？

AM-III“身世”大揭秘

我们都知道，金刚石是碳元素以单质形态出现的一种结构。除了金刚石，碳元素还以石墨、富勒烯、碳纳米管、石墨烯等形式出现在大家面前。而AM-III就是采用富勒烯C60在高温高压环境下获得的一种新型非晶碳材料。

在这里插入解释一个概念，什么是非晶材料？这个问题还要从金刚石为何如此坚硬说起！

金刚石的结构模型 来源 | 新华网

金刚石的坚硬取决于它的分子结构。金刚石的每个碳原子都可以与相邻的4个碳原子紧密结合成三椎结构，而且不管是上下，还是左右，相邻碳原子之间的距离相同。就是这样无数个相同的三椎结构“排兵布阵”，让金刚石成为了天然存在的最坚硬的物质，其中这种排列有序、有规律的分子结构状态就是晶态。

由晶态反向而推之就是非晶态，说白了其实就是分子排列不整齐、没有规律的结构状态，也就是AM-III的分子排列状态。

AM-III为何可以划伤金刚石？

同样是碳原子构成的，难道因为分子排列不同，AM-III就可以划伤金刚石？

其实并非如此！

AM-III的密度为3.30 克/立方厘米，与密度约为3.5-3.53克/立方厘米金刚石相当。在密度相当的情况下，AM-III的维氏硬度为113 GPa，天然钻石的维氏硬度约为70-100GPa(实验采用单晶金刚石的001面维氏硬度为103 GPa)。如此看来，AM-III划伤金刚石是一件极为轻松的事情。

一块 1 毫米宽的 AM-III 玻璃在天然钻石表面留下划痕 来源 | 凤凰网

或许这些数据无法让你感受到AM-III到底有多坚硬，但是你可以想象钢有多硬、防弹玻璃有多硬，而AM-III要比钢硬十倍，比大多数防弹玻璃坚固20到100倍。

AM-III不是只有硬这一个优点。据了解，AM-III的带隙(导带的最低点和价带的最高点的能量差)介于1.5-2.2 eV之间，与常用的非晶硅薄膜半导体的带隙相当，在光伏领域具有十分广阔的应用前景。

除此之外，AM-III与硅类似，是一种极为高效的半导体，所以它还是可以在高压和高温等极端环境下运作的光电设备。

人外有人天外有天，金刚石早已跌下“神坛”

其实，比金刚石硬度高的物质不止AM-III，人类在很早之前就发现了比金刚石还硬的物质，比如石墨烯、碳炔、纤锌矿型氮化硼等等。

石墨烯薄片示意图 来源 | 新华网

从石墨中可提取出一种叫做石墨烯的二维碳原子晶体，比金刚石还坚硬，强度比世界上最硬的钢铁还要高上100倍。

硫化碳炔相关示意图 来源 | 快资讯

碳炔是碳原子组成的单链，它是人类目前已经发现的纳米材料中最硬的材料，其硬度是钢铁的两百多倍。也就是说，它的硬度大约是金刚石的3倍。

纤锌矿型氮化硼 来源 | 快资讯

纤锌矿型氮化硼与前两种不同，它是一种天然材料，其硬度比金刚石要高出18%。因为纤锌矿型氮化硼形成比较特殊，是在火山爆发的过程中形成的，所以比较稀有，比金刚石还要少见。

不过纤锌矿型氮化硼的“亲戚”——氮化硼非常常见。氮化硼有是纤锌矿氮化硼(WBN)、菱方氮化硼(RBN)、六方氮化硼(HBN)和立方氮化硼(CBN)四种变体，这些变体都具有堪比金刚石的维氏硬度哦！

聚合钻石纳米棒 来源 | 网易

除此之外，还有一种被称为“超钻石”的物质聚合钻石纳米棒也比金刚石硬。聚合钻石纳米棒是由超高硬度的石墨烯压缩而成的，一般情况下，金刚石的弹性模量在442GPa-446GPa左右，而“超钻石”能够达到491GPa，其硬度可以比金刚石高0.4%。

如果将这些物质放在一起，大概的硬度排名为：

金刚石≈氮化硼4变体<聚合钻石纳米棒(此结果为个人分析所得)。