比钻石更硬！日本科学家“算”出一种新“钻石”

盘他钻的几何结构。黑白小球代表碳原子，每个碳原子都分别与邻近的四个或三个碳原子连在一起。

近日，日本筑波大学的研究人员用计算机算法把碳打造成一种比钻石还要硬的材料，并给这种新材料起名叫“盘他钻（pentadiamond）”，而且相信它或许可以在复杂的切割工艺中代替现有的合成钻。

钻石是由密集排列的碳原子组成的，是人们公认的最硬的材料。然而碳也可以形成很多其他的稳定结构，我们称之为同素异形体。比如铅芯中的石墨、碳纳米管一类的纳米材料。

同素异形体的机械性能，包括硬度等，大部分是由其内部碳原子的连接方式决定的。拿传统的钻石来说，其内部的每一个碳原子会和邻近的四个碳原子相连，组成共价键。化学家将这种连接方式称为sp3杂化。而在碳纳米管或其他一些材料中，每一个碳原子会和邻近的三个碳原子组成共价键，这种组合方式称为sp2杂化。

此次，筑波大学的研究人员用这两种杂化的混合方式来排列碳原子。论文的第一作者藤井安丸说：“在sp2和sp3杂化混合的同素异形体中，由于内部连接和排序的增多，原子的形态多样性更好了。”

论文另一位作者丘田进教授认为，这项研究展示了设计科学的力量。为了计算出盘他钻最稳定的原子结构和硬度，研究团队运用了一种叫作“密度泛函理论（DFT）”的算法。DFT是化学和固体物理学中用来预测材料结构和属性的方法。通常，人们无法把握一个材料中所有电子的量子状态，尤其是它们的相互作用。而DFT可以采用近似的方法，算出原子周围空间内最终的电子密度。

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这个方法简化了计算过程，也适用于电脑运算，测出的结果也相当精确。科学家用测量硬度的杨氏模量测出的盘他钻硬度为1700GPa，而传统钻石的硬度为1200GPa。论文作者之一、筑波大学丸山美奈教授介绍，虽然盘他钻的硬度比传统钻石高，但它的密度却比传统钻石低，和石墨差不多。

盘他钻除了可用于切割、钻孔工艺之外，还有可能取代现行金刚石压砧，用于重塑行星内部高压状态的科学研究中。

作者：江泽珍/编译

编辑：许琦敏

图片来源：PHYSICAL REVIEW LETTERS