李登仟

也許經(jīng)常走在大理石地板上的你，已經(jīng)不再好奇于一塊塊方正的大理石是如何切割拼合的；也許經(jīng)常行走于繁華都市的你，對(duì)于摩天大樓所鑲嵌的反光玻璃已習(xí)以為常；也許對(duì)科學(xué)充滿好奇心的你，至今還并不知道科學(xué)家如何制造堅(jiān)固美麗的鉆石?！般@石恒久遠(yuǎn)，一顆永流傳”，這不僅僅是售賣鉆石的商家打出的一句標(biāo)語(yǔ)，它蘊(yùn)含著鉆石的一個(gè)特性：堅(jiān)固無(wú)比！正是由于鉆石的無(wú)比堅(jiān)硬，導(dǎo)致鉆石即便在荒郊野外，任憑風(fēng)吹雨打，經(jīng)過(guò)多年的摧殘，它依然能夠光滑如初。

但是，最近刊登在世界頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志上的一項(xiàng)研究論文稱，科學(xué)家經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，鉆石也會(huì)彎折，同時(shí)他們還通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬出鉆石如何在外力的作用下彎折。鉆石這個(gè)被稱為地球上最堅(jiān)硬的物質(zhì)，它也會(huì)彎折？這似乎有些不可想象，讓我們提起精神，一探究竟！

出生于“名門正派”

市面上所謂的鉆石，其實(shí)大多是經(jīng)過(guò)了地球內(nèi)部的高溫高壓等條件精雕細(xì)琢而成。高溫高壓？要多高的高溫和多高的高壓？科學(xué)家把碳元素組成的物體扔進(jìn)高溫爐測(cè)試了一下：需要約1500℃的高溫，約6GPa的大氣壓。然而，要想成為一顆合格的鉆石，首先需要出生于“名門正派”——自身的含碳量要很高——達(dá)到99.9%?？山普J(rèn)為是由碳單質(zhì)組成。如今地球上的鉆石來(lái)源有兩種：地球內(nèi)部高溫高壓煉造而成和大型隕石高速撞擊地球形成。當(dāng)然也有一些鉆石可經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室的金剛石打磨而成。補(bǔ)充一點(diǎn)，其實(shí)，鉆石就可以指經(jīng)過(guò)打磨的金剛石。

鉆石的“杰作”

在文章的開(kāi)頭，曾埋下伏筆，不管是教室里的大理石瓷磚還是摩天大樓墻上鑲嵌的玻璃，都是鉆石的“杰作”。鉆石還有這個(gè)用途？

關(guān)于大理石瓷磚和玻璃的切割，如果在教室或者家中房屋裝修之際，一步步地看著裝修師傅是如何操作的，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，安裝大理石瓷磚的師傅們都會(huì)有一個(gè)切割機(jī)，在切割機(jī)的邊緣會(huì)鑲嵌著一個(gè)個(gè)無(wú)堅(jiān)不摧的神器——金剛石鋸片。

除了切割，鉆石也被科學(xué)家們用在實(shí)驗(yàn)室中。因?yàn)殂@石的硬度很大，科學(xué)家們?yōu)榱私o測(cè)試的樣品施加高壓，會(huì)將樣品置于2顆鉆石之間（鉆石尖端需打磨平坦，以便樣品放置），然后相互推擠鉆石形成對(duì)頂，從而形成高壓。

這樣看來(lái)，以上所提到的鉆石的“杰作”，主要是利用其具有非凡的硬度這一特點(diǎn)。那么，鉆石為何如此堅(jiān)硬？

任何一個(gè)宏觀的物體必然有著其微觀的結(jié)構(gòu)，鉆石也不例外。鉆石在宏觀狀態(tài)下所表現(xiàn)出的堅(jiān)硬，必然和它的微觀結(jié)構(gòu)密不可分。鉆石的結(jié)構(gòu)又稱為金剛石立方體結(jié)構(gòu)，鉆石可認(rèn)為完全是由碳原子組成，每一個(gè)碳原子與周圍相鄰的4個(gè)碳原子構(gòu)成一個(gè)正四面體。正四面體？也許這個(gè)形狀對(duì)你來(lái)說(shuō)陌生又熟悉，別急，下面來(lái)為大家解釋。

相信在立體幾何中，正方體對(duì)于你來(lái)說(shuō)就再熟悉不過(guò)了。而通過(guò)正方體的任意2個(gè)相對(duì)的面、相對(duì)立的頂點(diǎn)連接起來(lái)就可以構(gòu)造出一個(gè)正四面體。我們不難發(fā)現(xiàn)，由于正四面體的每條邊長(zhǎng)都是正方形的對(duì)角線，這意味著正四面體的任意一個(gè)面都是等邊三角形。那么重點(diǎn)來(lái)了，數(shù)學(xué)老師一定告訴過(guò)你，三角形是多邊形中最具有穩(wěn)定性的形狀，更何況是等邊三角形了，這也才導(dǎo)致鉆石有著很高的硬度和熔點(diǎn)。

當(dāng)然，這里是有必要順便提一下鉆石的“兄弟”——石墨，我們所用的2B鉛筆的主要成分就是它。雖然石墨和鉆石都是由碳單質(zhì)組成，為什么受到的待遇存在那么大的區(qū)別呢？原來(lái)，還和其自身的“基因”——分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。石墨的分子排列為平面結(jié)構(gòu)，呈正六邊形的片狀，石墨由數(shù)以億層堆疊而成。

盡管石墨和鉆石有著同樣的分子組成，但是后天的環(huán)境磨煉造就了它們的不同用途。眾所周知，正是由于石墨質(zhì)地較軟，才能在作業(yè)本上勾勒出一個(gè)個(gè)漢字，也正是鉆石的堅(jiān)固非常，才能“一顆永流傳”！

在微觀世界里“彎下了腰”

然而，這個(gè)被譽(yù)為地球上最堅(jiān)硬的物質(zhì)也能被折彎？這不禁讓我們陷入了沉思，如此堅(jiān)固的它是如何被折彎的？

其實(shí)，并不是我們?cè)谥閷毜昀锼吹降耐愣诡w粒大小的鉆石被折彎，而是科學(xué)家們所觀測(cè)到的鉆石被折彎，即納米級(jí)別的針狀的鉆石被折彎！那么問(wèn)題來(lái)了，上面我們有提到鉆石的硬度相當(dāng)大，按照邏輯來(lái)說(shuō)，只有使用比它更加堅(jiān)硬的材料對(duì)它施力，才可能將其折彎。這個(gè)材料是什么呢？原來(lái)，科學(xué)家們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里將納米鉆石針折彎所采用的工具也是鉆石，只不過(guò)把它的形狀做成了錐形。

科學(xué)家們?yōu)榱双@得納米級(jí)別的鉆石針可謂是下足了功夫.首先，科學(xué)家們采用化學(xué)中所謂的“化學(xué)氣相沉淀法”，獲得一層鉆石薄膜；然后，科學(xué)家們?yōu)楂@取大批量的納米鉆石針，利用高能量的等離子體不斷轟擊鉆石薄膜，直到鉆石薄膜上的碳原子被悉數(shù)打散，納米鉆石針表面無(wú)比光滑。有了納米鉆石針之后，剩下所需要做的工作就是利用錐形鉆石對(duì)上面所獲取的納米鉆石針進(jìn)行施壓。

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，科學(xué)家們不僅觀察到了納米鉆石針會(huì)有形變，也觀察到當(dāng)納米鉆石針受力過(guò)大之后也會(huì)斷裂。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)納米鉆石針的形變極限（形變的產(chǎn)生得益于鉆石針表面的光滑度，假如鉆石表面粗糙程度很高，當(dāng)錐形納米鉆石施加壓力的時(shí)候，便會(huì)使得鉆石針表面應(yīng)力集中，時(shí)刻有斷裂的風(fēng)險(xiǎn)）；另一方面，科學(xué)家們?yōu)榱藦挠?jì)算機(jī)上模擬出納米鉆石針的變形過(guò)程，通過(guò)有限元的計(jì)算方法成功地模擬了納米鉆石的形變過(guò)程。

能登上《科學(xué)》雜志的發(fā)現(xiàn)，其背后必然有著重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。那么對(duì)于折彎的納米鉆石針將有著怎樣的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值呢？該研究團(tuán)隊(duì)表示，納米鉆石在微觀世界所具有的超級(jí)彈性，有可能在可穿戴柔性電子器件或納米光電器件領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用價(jià)值，讓我們拭目以待吧。