鉆石也可以折彎？

李登仟

也許經常走在大理石地板上的你，已經不再好奇于一塊塊方正的大理石是如何切割拼合的；也許經常行走于繁華都市的你，對于摩天大樓所鑲嵌的反光玻璃已習以為常；也許對科學充滿好奇心的你，至今還并不知道科學家如何制造堅固美麗的鉆石。“鉆石恒久遠，一顆永流傳”，這不僅僅是售賣鉆石的商家打出的一句標語，它蘊含著鉆石的一個特性：堅固無比！正是由于鉆石的無比堅硬，導致鉆石即便在荒郊野外，任憑風吹雨打，經過多年的摧殘，它依然能夠光滑如初。

但是，最近刊登在世界頂級學術期刊《科學》雜志上的一項研究論文稱，科學家經過實驗證明，鉆石也會彎折，同時他們還通過計算機模擬出鉆石如何在外力的作用下彎折。鉆石這個被稱為地球上最堅硬的物質，它也會彎折？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，其實大多是經過了地球內部的高溫高壓等條件精雕細琢而成。高溫高壓？要多高的高溫和多高的高壓？科學家把碳元素組成的物體扔進高溫爐測試了一下：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——達到99.9%。可近似認為是由碳單質組成。如今地球上的鉆石來源有兩種：地球內部高溫高壓煉造而成和大型隕石高速撞擊地球形成。當然也有一些鉆石可經過實驗室的金剛石打磨而成。補充一點，其實，鉆石就可以指經過打磨的金剛石。

鉆石的“杰作”

在文章的開頭，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”。鉆石還有這個用途？

關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，你會發現，安裝大理石瓷磚的師傅們都會有一個切割機，在切割機的邊緣會鑲嵌著一個個無堅不摧的神器——金剛石鋸片。

除了切割，鉆石也被科學家們用在實驗室中。因為鉆石的硬度很大，科學家們為了給測試的樣品施加高壓，會將樣品置于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頂，從而形成高壓。

這樣看來，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。那么，鉆石為何如此堅硬？

任何一個宏觀的物體必然有著其微觀的結構，鉆石也不例外。鉆石在宏觀狀態下所表現出的堅硬，必然和它的微觀結構密不可分。鉆石的結構又稱為金剛石立方體結構，鉆石可認為完全是由碳原子組成，每一個碳原子與周圍相鄰的4個碳原子構成一個正四面體。正四面體？也許這個形狀對你來說陌生又熟悉，別急，下面來為大家解釋。

相信在立體幾何中，正方體對于你來說就再熟悉不過了。而通過正方體的任意2個相對的面、相對立的頂點連接起來就可以構造出一個正四面體。我們不難發現，由于正四面體的每條邊長都是正方形的對角線，這意味著正四面體的任意一個面都是等邊三角形。那么重點來了，數學老師一定告訴過你，三角形是多邊形中最具有穩定性的形狀，更何況是等邊三角形了，這也才導致鉆石有著很高的硬度和熔點。

當然，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組成，為什么受到的待遇存在那么大的區別呢？原來，還和其自身的“基因”——分子結構有關。石墨的分子排列為平面結構，呈正六邊形的片狀，石墨由數以億層堆疊而成。

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

在微觀世界里“彎下了腰”

然而，這個被譽為地球上最堅硬的物質也能被折彎？這不禁讓我們陷入了沉思，如此堅固的它是如何被折彎的？

其實，并不是我們在珠寶店里所看到的豌豆顆粒大小的鉆石被折彎，而是科學家們所觀測到的鉆石被折彎，即納米級別的針狀的鉆石被折彎！那么問題來了，上面我們有提到鉆石的硬度相當大，按照邏輯來說，只有使用比它更加堅硬的材料對它施力，才可能將其折彎。這個材料是什么呢？原來，科學家們在實驗室里將納米鉆石針折彎所采用的工具也是鉆石，只不過把它的形狀做成了錐形。

科學家們為了獲得納米級別的鉆石針可謂是下足了功夫.首先，科學家們采用化學中所謂的“化學氣相沉淀法”，獲得一層鉆石薄膜；然后，科學家們為獲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打散，納米鉆石針表面無比光滑。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上面所獲取的納米鉆石針進行施壓。

在進行實驗的過程中，科學家們不僅觀察到了納米鉆石針會有形變，也觀察到當納米鉆石針受力過大之后也會斷裂。通過實驗，科學家們發現納米鉆石針的形變極限（形變的產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，當錐形納米鉆石施加壓力的時候，便會使得鉆石針表面應力集中，時刻有斷裂的風險）；另一方面，科學家們為了從計算機上模擬出納米鉆石針的變形過程，通過有限元的計算方法成功地模擬了納米鉆石的形變過程。

能登上《科學》雜志的發現，其背后必然有著重要的實際應用價值。那么對于折彎的納米鉆石針將有著怎樣的實際應用價值呢？該研究團隊表示，納米鉆石在微觀世界所具有的超級彈性，有可能在可穿戴柔性電子器件或納米光電器件領域有著潛在的應用價值，讓我們拭目以待吧。