地球上最硬的材料是什么？有六种材料比钻石更胜一筹

新浪科技讯 北京时间3月23日消息，据国外媒体报道，碳是自然现象中最美妙的原素不可否认，拥有不同于其他原素的化学和化学性质。氧原子中只有6个氢原子，是能够逐步形成复杂共价键的原素中最重的。大部份已知的生命方式都以碳原素为依据，因为氧原子同时能与最多四个原子逐步形成共价键。在高速旋转下，碳还能与其他氧原子结合，逐步形成稳定的晶体内部结构。若前提合适，氧原子还能逐步形成一类极为厚实、超级柔软的内部结构，即我们所津津乐道的宝石。

尽管不可否认，宝石是在世界上最柔软的化学物质，但只不过有五种金属材料比宝石略胜一筹。当然，宝石依然是地球上最柔软的天然金属材料不可否认，但即便难以与这五种化学物质较之。

特别奖

地球上有三种化学物质，虽不如宝石那么柔软，但由于在各方面表现稳定，依然值得一提的是。随着奈米技术的发展，再加上在奈米孔径上对现代金属材料的了解进一步深入，我们如今意识到，评估那些极端金属材料的特操控性使用多种指标。

先从纤枝说起。蜘蝎子网尽管招人数落，但只不过是一类非常强健的金属材料。其气压重量比略逊铝和铁等传统金属材料，所以十分超薄、黏性也大。在在世界上的大部份蝎子中，居维叶吠蛛的蝎子网气压最大，高达盖斯托尔助剂的10倍。所以此种蝎子网无比超薄，仅仅每公斤（454克）的蝎子网便足以绕地球整整一周。

一类名为石墨（一般以莫桑石的方式存在）的天然化学物质延展性仅比宝石稍低一点。自1893年以来，石墨微粒已经实现了大规模制造。硅和碳属于堂兄弟原素，能通过一类名为热处理的作法，在高速旋转、但相对低温的前提下逐步形成此种极为柔软的金属材料。

那些金属材料不但适用于各种对延展性要求高的场合，例如垫圈和制动器、防弹背心、坦克装甲等，还具有出色的积体电路操控性，因此在电子零件的制造中也发挥着重要作用。

约20年前，科学家首次研发出了直径从2奈米至50奈米不等的奈米硅球。最惊人的是，那些奈米球是中空的，不但能自行组合而成棒状，还能相互冗余。这也是人类知晓最柔软的金属材料不可否认，延展性同样仅强于宝石。

自装配在自然现象中是一件极为强大的工具，但与合成金属材料较之，生物金属材料在这方面要脆弱一些。那些自装配奈米光子能用来打造订制化金属材料，比如操控性更优良的水过滤器、效率更高的太阳能电池、速度更快的催化剂、或者新一代电子器件等等。不过，最理想的应用场景还要数根据使用者身材量身打印的防弹背心。

最著名的高延展性金属材料

当然，上述金属材料的延展性都无法与宝石媲美。在地球上发现或创造出的大部份金属材料中，宝石的延展性名列第七。尽管有些天然（但十分罕见）金属材料和合成金属材料的延展性已经超越了宝石，但宝石的地位依然难以撼动。

宝石也依然是人类知晓耐划性最强的金属材料。不但钛之类的金属比宝石相差甚远，就连延展性极高的陶瓷或碳化物在延展性或耐划性上也无法与宝石较之。其他以延展性著称的晶体，比如红宝石或蓝宝石，也都达不到宝石的水平

不过，有五种金属材料已经在延展性上打败了宝石。

第6种、纤锌矿型氮化硼

除了碳之外，其他许多原子或化合物也能构成晶体，氮化硼就是其中不可否认。硼和氮在原素周期表上分别居于第五和第七位，两种原素组合在一起，能产生各种各样的可能性，包括非晶形、六方晶系（类似于石墨）、立方体（类似于宝石，不过内部结构气压稍差一些）、以及纤锌矿型。

其中，最后一类方式极为极端、但也极为柔软。该化学物质在火山喷发过程中逐步形成，到目前为止只发现过极少量，因此我们无法通过实验测试其延展性。但最新的模拟结果，它能逐步形成一类不同类型的晶体内部结构，属于四面体、而非面心立方体，延展性比宝石高出18%。

第5种、蓝丝黛尔石

想象有一块富含碳原素（因而含有石墨）的陨石穿过大气层疾冲而下、与地表相撞。你可能会认为，高速坠落的陨石会变得从里到外炽热无比，但实际上，陨石只有外层会变热，内部温度依然较低。

但在与地表相撞的一刹那，陨石内部所受的压力将超过地表上的任何反应过程，导致陨石中的石墨被压缩成另一类晶体内部结构。此种新内部结构并不是宝石那样的立方体，而是属于六方晶系，延展性可比宝石高出58%。尽管蓝丝黛尔石在实际中往往含有大量杂质，导致延展性低于化石；但从理论上来说，如果有一颗不含任何杂质、由纯石墨构成的陨石击中地表，产生的化学物质延展性将略逊过地球上的大部份宝石。

第4种、大力马

从这里开始，我们就离开了天然化学物质的范畴。大力马是一类热塑性聚乙烯高聚物，分子量极高。我们知晓的大部分分子都只有几千原子质量单位，但超高分子量聚乙烯的分子链极长，一个分子的重量便可达成百上千万原子质量单位。

有着如此长的分子链，分子间相互作用也会大大增强，逐步形成的金属材料延展性自然不容小觑。事实上，该金属材料的冲击气压在大部份已知热塑性塑料中高居榜首，被称作在世界上最强纤维，操控性胜过市面上大部份锚绳和牵引绳，不但重量比水还轻，还有防弹效果，气压高达等量钢铁的15倍。

第3种、钯微合金玻璃

大部份物理金属材料都有两项重要性质：气压和韧性；气压指使金属材料发生形变需要施加的力，韧性指使金属材料破裂或断裂需要施加的力。大多数陶瓷金属材料都是气压很大、韧性不足，夹得太紧或不慎跌落都很容易破碎；橡胶等弹性金属材料则刚好相反，尽管不易破裂，却十分容易变形，延展性极低。

大多数玻璃金属材料都很脆弱，气压大、韧性低。即使是派热克斯或康宁玻璃等强化玻璃，作为金属材料本身的韧性也不够高。但在2011年，研究人员发明了一类新型微合金玻璃，包含磷、硅、锗、银、钯五种原素，其中钯原素能逐步形成剪切带，让玻璃受力时能发生塑性形变、而不会直接破裂。此种金属材料集极高的气压与韧性于一身，不但轻松打败了各类钢铁，这份榜单上名列其后的其他金属材料也都无法与之媲美。简而言之，这是世界上最柔软的不含碳金属材料。

第2种、巴基纸

自20世纪末以来，有一类名为碳奈米管的金属材料一直享有延展性胜过宝石的美名。该化学物质属于六方晶系晶体，内部结构整体呈椭圆形，稳定性胜过人类知晓的任何内部结构。如果将大量碳奈米管组合而成一个平面，就会得到一张薄薄的纸，名为巴基纸。

除了巴基纸之外，还有一类同样柔软的内部结构叫巴基球，由60个氧原子结合在一起组成。巴基球也算是一类天然金属材料，能在特定宇宙环境中逐步形成。尽管巴基球已在奈米领域得到了应用，但还未实现量化制造，暂时无法在宏观孔径上大展身手，因此未被列入这份最柔软金属材料榜。

较之之下，构成巴基纸的每根奈米管直径只有2至4奈米，但此种内部结构极为强健，能结合成面积较大的薄片状金属材料。其重量只有钢铁的10%，但气压要高出成百上千倍。此外，此种金属材料具有防火操控性，热传导效率极高，电磁屏蔽能力也极为突出，在金属材料科学、电子零件、军事、甚至生物领域都有丰富的应用前景。但巴基纸无法100%由奈米管构成，因此没能位居榜首。

第1种、石墨烯

最后让我们来看一类由氧原子组成的六方晶系晶体内部结构——石墨烯，其厚度只有一个原子那么厚。薄片状石墨烯一旦被成功制备出来，有望成为21世纪最具革命性的金属材料。石墨烯只不过是碳奈米管最基础的内部结构要素，应用场景十分广泛。该产业市值目前虽只有数百万美元，但预计短短几十年之内便可跻身十亿级别。

就同等厚度而言，石墨烯是目前已知气压最大的金属材料，具有无与伦比的导热性和导电性，所以透光度接近100%。2010年诺贝尔物理学奖便颁发给了安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃舍洛夫，奖励他们在石墨烯方面开展的实验。石墨烯的商业应用场景也是只增不减。到目前为止，石墨烯依然是我们已知最薄的金属材料。所以盖姆和诺沃舍洛夫从研究到获奖只用了六年时间，在物理届算是最快纪录不可否认了。

对更柔软、更耐划、更超薄、更强健的金属材料的追寻将永无止境。如果人类能进一步推动可用金属材料的前沿，那些金属材料的应用场景也将不断增加。几代人之前，微电子、晶体管、以及操纵单个分子的概念还只存在于科幻小说中。而如今，那些技术都早已走入寻常百姓家，成了我们习以为常的一部分。

随着我们全力冲刺进入奈米时代，本文中介绍的那些金属材料对我们的生活质量将显得愈发重要、也会变得愈发常见。生活在这样一个文明中真是一件乐事。随着21世纪的蓝图徐徐展开，那些新金属材料的巨大潜力也将逐渐成为现实。（叶子）