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超硬材料的开发进展
超硬材料的开发进展
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zml 发布时间:
2015年04月29日10:
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超硬材料的开发进展
一、开发利用人造钻石及钻石材料
1.研制人造钻石的新进展
⑴利用化学气象沉淀法制成人造钻石。
2004年6月,有关媒体报道,美国华盛顿卡内基研究院地球物理实验室,颜志学博士领导的一个研究小组,研制出一种利用化学气象沉淀法制成人造钻石的技术,只要3天,就可以成功制造一颗巨型5克拉钻石,同时,其硬度比天然钻石高50%。
这种合成钻石的方法,主要是利用微波浆气体堆积方法,比其他方式快了100倍。
不过,这种人造钻石的功用,主要并非用于装饰,而是看好将来可以取代半导体中大量使用的硅,或是发展钻石晶圆应用于高频通讯产业,可使传输的频率提高2倍以上。
以化学气象沉淀法合成人造钻石,价格低廉、速度快、体积大且硬度高。
颜志学表示,这种人造钻石两三年后应当可以开始量产,并广泛运用于工业用途。
⑵通过改进化学气象沉淀法快速制成大钻石。
2005年10月,《世界日报》报道,美国华盛顿卡内基研究院地球物理实验室,毛河光博士和儒赛尔·哈姆雷博士等人组成的研究小组,通过改进化学气象沉淀法,利用高压让“钻石快速长大”的专利技术实验,在日本及美国公布他们制成的一颗10克拉钻石,震惊学术界和珠宝界。
报道称,过去号称要百万年才能结晶的昂贵钻石,总是伴随着美丽浪漫的传说。
不过,毛河光却颠覆了一般人对钻石的价值观。
他大胆预言:
“21世纪是钻石的年代!
有一天,价廉物美的钻石,会取代硅在半导体的角色,硅谷会变成钻石谷,将使人类科技进入另一世界。
”
三年前,当他们公开发表人造钻石的化学气象沉淀法后,犹如古代点石成金的术士般带动风潮,全世界有百家实验室一窝蜂投入这种方法的钻石研发,但因无法突破钻石生长的速度,后来纷纷退出,毛河光等人则是耗费百万美元不断实验,终于发现钻石迅速长大的秘方。
哈姆雷说:
“我们通过改进的沉积技术,使制成的钻石达到10克拉。
这也意味着化学气相沉积技术的进展取得了突破。
”这种尺寸,是目前商业钻石制造商,使用普通技术的制成品大小的五倍。
根据目前制造过程及制成品的推测,这种技术应该能够制造出1英寸(2.54厘米),或者说是300克拉的钻石。
可能大家对计量钻石用的克拉概念不是很清楚,举个例子来说吧,世界上著名的希望之钻重量为42.52克拉。
2005年5月,他们先在日本举办的第十届国际新钻石科技会议公布了一颗10克拉、透明无色的人造钻石,接着又以《大钻石生产快》的标题,在美国的实用钻石会议上发表,媒体马上进行大篇幅报道,因为过去研究以化学气象沉淀法长出来的钻石,普遍带棕、黄色,无法做高级珠宝,且做3克拉都很难,但他们却大突破做到10克拉无色的透明钻石,等于是人造钻石的大跃进。
全球知名的宝石分级、鉴定机构美国宝石研究院(GIA)对此大感兴趣,其研究部门的工程师一再与他们联系,希望了解这种钻石的特性及鉴定方法;连收藏最著名的温斯顿蓝钻“希望之钻”的华盛顿史密森协会,其矿物部门主管波斯特闻讯也好奇,特别跑到他们的实验室演讲。
目前已有多个国际知名的钻石大厂,正在和他们洽商投资量产,一旦量产,将全面冲击整个钻石市场。
但毛河光却说:
“珠宝其实是钻石最没有价值的部分,它只是虚华的装饰品,钻石的价格都是人为炒作的,在我看来钻石价格不该那么贵,钻石大量生产后,可以更平价,有更多元的功能,钻石除了硬度最高,还是很好的导热及切割、研磨的工具,未来可以在医疗上及电子元件上有很大的用途。
”
⑶研制出硬度超过天然钻石的人造钻石。
2006年2月,日本爱媛大学地球物理学教授入舩彻男主持,住友电气工业公司研究人员参与的一个研究小组,成功研制出直径为4毫米的全球最硬的人造钻石,其硬度超过了天然钻石。
这种人造钻石,可望运用到切削机械和加工坚硬金属等领域。
该人造钻石,是一种由直径10纳米到30纳米的钻石结晶,聚合而成的多结晶钻石,呈淡淡的糖稀颜色,没有用来制作饰品钻石那么漂亮。
但是与单结晶钻石容易沿受力方向破裂不同,这种人造钻石能承受来自任何方向的力度,硬度最高可达天然钻石的两倍。
这种人造钻石,是把石墨放进专用装置中,在2300℃、15万到18万个大气压的高温高压环境中制造出来的。
该研究小组,曾于2003年,研制成功最大直径约1.5毫米的结晶人造钻石,但因体积太小,无法应用在工业上。
后来,研究人员改良了加热装置,使石墨均匀受热,经过反复实验,终于实现了钻石结晶的大型化。
入舩彻男说:
“现在制造这样的人造钻石,大约只需10个小时,但想用更短的时间做出更大的结晶,还需要改进技术,争取在两年之内实现其工业利用。
”
⑷创造出毫无瑕疵的人造钻石。
2006年6月,有关媒体报道,华盛顿卡内基协会地球物理学实验室,与波斯顿阿波罗钻石协会联合组成的一个研究小组,经过数十年的实验之后,终于创造出目前最大的、最无瑕疵的人造钻石,有人说,它能与最珍贵的戴比尔斯钻石媲美。
研究小组表示,完美的大于2克拉的单晶钻石,很快就可以被“种”出来。
研究人员说,他们用一种化学蒸镀的方法,就可以创造出完美无暇的钻石。
2005年开始,科学家们已经成功掌握造出10克拉单晶钻石的方法,最值得称道的是,这种钻石在颜色和纯净度上,甚至超过了真的矿产钻石。
在10年内,人造钻石将会变得越来越便宜。
此外,欧洲的碳能电子学协会,也制造出了一个合成钻石二极管,踏出了钻石半导体成功的第一步。
2.利用人造钻石与钻石材料的新成果
⑴制造出用于量子信息处理的钻石环。
2008年3月,在美国新奥尔良市召开的美国物理协会会议上,澳大利亚墨尔本大学的一个研究小组宣布,他们在自己设计的实验中,成功研制出迄今为止世界上最小的钻石环。
据悉,这个钻石环的直径为5微米,厚度为300纳米,但是它不会让那些酷爱钻石的人们感到欣喜,因为它太小了,只适用于科学实验。
它将帮助科学家开发量子信息处理,因为钻石环,是生产和探测单个量子或光量子设备的一个组成部分。
通过设置不同的状态,量子可以携带相应的信息。
通常人们使用的计算机中的信息是由比特字节存储,比特信息的状态包括1和0(就如同光开关设置开启和关闭),相应地指示某些特定的信息。
在科学家进行的这项研究中,他们采用的量子比特,可用1和0指示其状态信息。
⑵研制出电子产品快速散热的钻石粉末。
2009年4月7日,柏林媒体报道,德国弗劳恩霍夫制造工程和应用材料研究所、德国西门子和奥地利攀时集团共同组成的一个研究小组,研发成一种新材料,它是在铜中加入掺兑金属铬的钻石粉末,其导热能力是纯铜的1.5倍。
研究人员介绍说,在通常情况下,钻石与铜是不容易混合到一起的,而在钻石粉末中添加金属铬,就能使钻石粉末表面产生一层碳化物膜,这种膜能有效地把两者混合起来。
为使电子元件散热加快,目前常用的方法是,在电子元件下安装一块铜板或铝板,但随着电子产品更加小型化和多功能化,铜板、铝板导热能力不足问题日渐突出。
研究人员说,新材料满足了小型多功能电子产品快速散热的需要。
⑶开发出导电耐高温的改良钻石。
2009年4月,法国巴黎第十三大学和克莱蒙费朗大学专家组成的一个研究小组,在《科学与未来》发表研究成果称,他们开发出一种改良钻石,它不仅比普通钻石更坚硬,而且能导电、耐高温,有望在未来用于多种工业生产中。
据报道,研究人员为了制造这种改良钻石,采用了一种创新技术:
把呈石墨晶体状排列的碳化硼,置于高温高压下,即压强为大气压的约2万倍,温度为2000℃。
研究显示,在这种条件下加工出来的材料,不仅硬度比普通钻石提高了60%,而且材料中的硼含量达到20%左右,比普通钻石高出许多,从而使这种新材料具备了一些普通钻石没有的特点,比如改良钻石能导电,而普通钻石是绝缘体;改良钻石能在1600℃的高温下存在,比普通钻石更耐高温。
研究人员认为,这种新材料,可被用于工业切割或是高温作业的微电子制造领域,他们希望继续提高这种材料的性能,进一步降低成本,使其能够在未来用于更多种类的工业生产中。
⑷利用人造钻石创下量子比特存储时间新纪录。
2012年6月7日,全球著名的人造钻石超材料生产商六元素公司对外宣称,美国哈佛大学物理学教授海尔·鲁金等人,与加州工学院以及德国马普光量子研究所合作,利用该公司获得的单晶体人造钻石,创下室温条件下量子比特存储时间超过1秒钟的新纪录。
这是人类首次实现用一种材料,在常温条件下把量子比特存储如此长时间。
研究人员认为,人造钻石系统的多能性、稳定性和潜在的延展性,有望让其在量子信息科学和量子传感器领域,开拓新的应用。
六元素公司位于英国阿斯科特的人造钻石研发小组,用化学气相沉积技术,开发出新的人造钻石生长工艺。
公司创新部主任斯蒂芬·库伊表示,人造钻石科学领域发展迅速,新钻石合成工艺,能将杂质控制在兆分之几,这是真正的纳米工程化学气相沉积钻石合成技术。
鲁金表示,六元素公司独特的人造钻石材料,是研究获得进展的核心,常温条件下,单个量子比特存储时间超过1秒,是一项十分令人兴奋的成果。
它是初始化、存储、控制和测量4项需求的结合。
新成果有望帮助人们开发新的量子通信和技术,在近期则有助于研发新的量子传感器。
量子信息处理,涉及操纵人造钻石中单个原子尺寸的杂质,以及探讨单个电子自旋量子特性,新的研究成果代表着量子信息处理的最新发展。
在量子力学中,电子量子自旋(量子比特)可以同时是0和1,此特性提供了量子计算的框架,同时也提出了更直接的应用,如新的磁传感技术。
⑸造出可制超强轻质线缆的超细钻石纳米线。
2014年9月21日,美国宾夕法尼亚州立大学化学教授约翰·拜丁主持,卡内基科学研究所马尔科姆·格斯里等人参与的一个研究小组,在《自然·材料》杂志上发表论文称,他们在世界上,首次制造出超细“钻石纳米线”。
钻石纳米线的核心,由钻石的基本单位结构连接而成,表现为碳原子以三角四面体结构首尾相连,外围包着一层氢原子。
研究人员推测,这种钻石纳米线有着非凡属性,强度和硬度都超过了目前最强的纳米管和聚合材料。
钻石纳米线的宽度仅几个原子,比光纤细几十万倍。
拜丁说:
“就像一个不可思议的珠宝商,把最小的钻石串在一起,成为微小的钻石‘项链’。
因为线的中心是钻石,我们推测它可能具有超凡的硬度、强度和用途。
”
近一个世纪以来,人们想把独立含碳分子(如液体苯)压缩成一种有序的、类钻石纳米材料,一直未能成功。
格斯里说:
“我们用了橡树岭国家实验室的大型高压装置,压缩6毫米宽的苯。
与以往实验相比,这种数量是极大的。
我们发现,在室温下充分压缩后再缓慢释放压力,让碳原子有时间互相反应,连成高度有序的碳四面体单行链,成为这些钻石核纳米线。
”
据有关报道,研究人员压缩的分子是苯,含6个碳原子和6个氢原子。
在压缩过程中,扁平的苯分子堆积在一起、弯曲、断裂,然后随着压力的缓慢释放,原子以一种完全不同、却仍高度有序的方式重新连在一起。
碳原子形成四面体结构,氢原子“挂在”外面,四面体互相连接形成了细长的纳米线。
研究小组在多家机构、用多种技术对钻石纳米线结构进行了检验,结果显示纳米线中还有某些不够完美的地方,他们打算继续改进它们的结构。
此外,他们还希望找到能制造更多纳米线的方法。
拜丁说:
“制造纳米线所需的高压,限制了它的生产能力,一次只能生产几个立方毫米,所以还不够用于工业规模。
我们的目标之一,是消除这种限制,让这些钻石纳米线,能在更实际的条件下生产。
”
这些钻石纳米线有着稳定的四面体核心,也是一类新材料,即钻石类纳米材料中的首个成员。
拜丁说,用苯分子的自然排列引导形成这种新的钻石纳米线,也让以碳氢为基础制造更多其他类分子变成了可能,比如添加其他原子,让它们与纳米线结合。
通过挤压所设计的液体,就能造出大量不同材料。
钻石纳米线,可以使许多行业获得巨大改进,比如超强轻质线缆,使建造“太空天梯”成为可能。
⑹利用激光让纳米钻石悬浮上半空。
2013年8月,英国罗切斯特大学,物理学家尼克·瓦米瓦克斯教授和他的同事,以及研究生莱维·尼克奇等人组成的一个研究小组,在《光学快报》上发表研究报告称,他们运用激光,让一颗微型钻石悬浮在半空之中。
据报道,在此之前,研究人员便已经使用激光,实现让单个原子悬浮的实验操作,但这次是第一次,研究人员能够运用这项技术,让一颗纳米钻石悬浮起来。
本次实验中被悬浮起来的纳米钻石,直径大约100纳米,比人类指甲的厚度小1000倍。
在这项最新的研究中,研究小组利用了这样一个原理,即激光束会产生一个力,尽管它非常小,一般感觉不到。
瓦米瓦克斯教授表示:
“如果我们打开电灯或是打开门,我们能感受到太阳。
我们能感受到光照,然而我们并无法感觉到光在我们身上施加的压力。
”他说:
“但如果你把光线聚集成光束照,射到一个非常小的区域上,事实上它就可以对极其微小的物体产生一种推力。
”
为了让这种显微物体悬浮起来,研究小组在一个洁净的真空管内,相向布置两道激光,并使用气溶胶布撒器将纳米钻石撒入真空管。
这些纳米钻石,被吸引向激光束移动,其中一部分最终被稳定地悬浮在了半空中。
有时候,这种悬浮能在数分钟内达成;有时候,这种悬浮的达成则需要更长得多的时间。
尼克奇表示:
“有时候,我需要在这里等待超过半小时,才会看到钻石被成功悬浮起来。
而一旦钻石被成功悬浮,我们就能让它们在半空中稳定悬浮超过数小时。
”
研究小组希望,他们这项成果,将有助于量子计算,或者从理论上有益于对极微小尺度上摩擦力作用方式的研究。
瓦米瓦克斯表示:
“悬浮的钻石颗粒,对其所处的受力环境非常敏感。
这非常重要,因为随着试验的尺度越来越小,我们需要了解环境和实验体之间,将会发生何种相互作用?
”
目前,研究小组正准备,开展进一步的实验研究,以便更好地理解晶体的物理特性,这将帮助回答物理学中的一些基本问题。
二、开发利用其他超硬材料的新进展
1.开发金刚石的新方法和新发现
⑴研制出纳米金刚石制备的新方法。
2011年12月,俄科学院物理技术所,与彼得堡国立化学制药研究院联合组成的一个研究小组,对爆轰纳米金刚石的光学筛分方法开展研究,通过实验证明直径为3纳米~6纳米的金刚石,具有独特的光谱吸收特性,从而为获得更纯净的纳米金刚石悬浮液提供了可能。
由于爆轰法存在杂质量大的弱点,因此,该方法没能广泛应用。
但在过去十年中,爆轰法相关净化技术的发展,再次吸引研究人员的关注,把它作为最简单的方法来获取金刚石。
纳米金刚石的应用过去局限于做聚晶,抛光剂等磨具磨料领域。
随着人们对纳米金刚石性质认识的深化,纳米金刚石已在金属镀层、润滑油、磁性记录系统、医学等领域开始获得应用,并且应用领域还在不断扩展。
俄罗斯国内生产的纳米金刚石,颗粒一般直径为200纳米~400纳米。
研究小组首先将纳米金刚石颗粒粉碎至4纳米,再应用特殊方法对纳米金刚石悬浮液进行多级加热,再经过酸和超声波处理,得到的深褐色纳米金刚石乳状悬浮液,比使用标准的单纯球磨技术得到的更为纯净,也更为透明。
至于直径3纳米~6纳米金刚石独有的光谱吸收特性,原因在于2个碳原子构成的二聚体分子,他们形成于纳米金刚石的表面用以减少表面积。
研究人员的这个假设,具有理论依据并和实验数据吻合,此外,对于较大纳米金刚石颗粒所进行的光谱吸收实验,由于二聚体比例较低,从而造成光谱吸收现象消失。
俄罗斯研究人员所做的工作,不仅是对纳米金刚石光学分析方法的贡献,也是迈向制备透明纳米金刚石悬浮液的第一步。
这种特性,有可能为纳米金刚石的应用,打开更广阔的空间。
⑵发现纳米金刚石具有杀菌功能。
2014年6月,德国不来梅大学,研究人员尤利娅·韦林参与的一个国际研究小组,在《ACS纳米》期刊上发表研究成果称,他们发现,纳米金刚石可像金属银、铜一样,能够有效杀除细菌。
纳米金刚石直径约5纳米,是细菌的二百分之一左右,可通过含碳化合物,在高压容器中爆炸产生。
这种灰褐色金刚石粉末,在接受不同的热处理后,表面会形成不同的化学基团。
研究人员发现,一些纳米金刚石,具有较强的杀菌特性,可在短时间内杀死细菌,而纳米金刚石表面上一种名为酸酐的特定含氧基团,似乎是其具有杀菌特性的原因所在。
研究人员说,实验表明,具有杀菌特性的纳米金刚石,或可用于生产表面涂层、杀菌剂等。
研究人员尤利娅·韦林认为,在不少细菌对抗生素产生耐药性之时,一种新型抗菌材料的发现,可谓是个“突破”。
2.开发宝石的新进展
⑴利用DNA和纳米粒子制造宝石。
2013年12月,美国西北大学,纳米专家乍得·米尔坚领导,该校温伯格学院化学教授奥尔弗拉·克鲁兹等人参加的一个研究小组,在《自然》杂志上发表研究成果称,他们首次利用DNA和纳米粒子,制造出接近完美的单晶体。
米尔坚认为,完美的单晶体,在日常生活中应用广泛,例如单晶体钻石不仅是名贵的饰品,还具有广泛的工业用途;蓝宝石可被用于制造激光发生器,而单晶体硅则是重要的电子器件原料。
他还说,原子在晶格中的位置是否精确,决定了一块宝石的好坏。
而单晶体连绵不断且没有瑕疵的晶格,使其具有独特的机械、光学以及电磁特性。
现在,可以利用DNA和纳米粒子来制造宝石。
据介绍,该研究小组,基于实验室近20年研制的超结晶格子技术,他们找到一种独特的方法:
利用特定的纳米材料作为原子,特定的DNA作为粘合剂,经加热之后,便可获得所需的晶体组成的宝石。
米尔坚说:
“设想一下,如果一个容器中,有一百万个红球和蓝球,不管你如何晃动容器,这些球都不会完全均匀混合。
但是,如果你在一个充满纳米粒子的容器中添加合适的DNA,然后摇动容器,在我们的实验中,也就是搅拌溶液,你就会发现,所有的纳米粒子会被DNA粘连住。
它们组成了一个完美的三维宝石。
”
该研究小组,在本项目研究中,利用特定的DNA链充当粘合剂,把散乱的纳米粒子,组合成结构有序的宝石。
研究人员表示,上述过程中,DNA链的长度和纳米粒子尺寸之间的比例,非常重要。
克鲁兹指出,这一比例,直接决定所获得的晶体质量的优劣。
这也是该技术的奇妙之处,所以必须拥有正确的比例。
她解释说,DNA链的长度与纳米粒子尺寸的比值,会影响晶体表面的能量,进而最终决定宝石最后的形状。
在“秘方”之外的比值,会导致宝石表面能量产生波动,进而难以形成规则的形状。
她还说,合适的比值,会让能量的波动小许多,进而促进宝石的形成。
目前,研究人员已经知晓了一些合适的比例。
研究人员表示,DNA的长度不能比纳米粒子的直径大过多。
在这项研究中,每个纳米粒子的直径在5纳米~20纳米之间。
⑵发现宝石碧玺:
一种硼硅酸盐结晶体。
2014年8月,日本东京工业大学发表公报称,该校与早稻田大学联合组建,并由该校教授丸山茂德主持一个研究小组,从中亚采集的岩石内发现一种全新组成的矿石,并已被国际矿物学协会认定为新矿物。
公报说,研究小组发现的这种新矿物,是一种电气石。
电气石又称碧玺,是一种硼硅酸盐结晶体,并可含铝、铁、镁、钠、锂、钾等元素。
所含化学元素可使电气石呈现出各种各样的颜色。
1997年至1999年,研究人员在哈萨克斯坦北部科克切塔夫草原的超高压变质带,即由超高压变质岩组成的变质带,采集了约9000块岩石。
他们将其中形成于约5亿年前的岩石,切成薄片后用显微镜进行观察时,发现了一种含大量钾元素的电气石。
这种电气石的特征,是内部含有极小的钻石。
钻石是在压力很大的地下深处形成的,而电气石的形成,又必须有集中在地球表层的元素。
所以,这种新矿物,将成为弄清地球表层和内部物质循环的线索。
研究小组以主持人丸山茂德的名字,把这种新矿物命名为“丸山电气石”。
这是世界首次发现与钻石共存的电气石,而含有大量钾的电气石也非常罕见,证明其所在的岩石曾经历过地球深处的高压。
哈萨克斯坦北部草原一带,板块沉降到地幔内,伴随着大陆间的撞击,地球表层的物质被带到地球深处,成为含有柯石英和钻石的超高压变质岩之后,再次回到地表。
3.研制硼基超硬材料的新成果
⑴研制出高硬度纳米碳化硼粉末。
2005年12月2日,《联合早报》报道,新加坡南洋理工大学的研究人员,研制出一种硬度仅次于钻石的纳米粉末。
这种粉末在工业、军事等领域将有广泛用途。
据报道,研究人员利用高能量的驱动,让普通碳化硼粉末的尺寸,缩小到原来的千分之一左右,并在此基础上制成纳米碳化硼粉末。
这种黑色的纳米粉末,比普通碳化硼粉末要硬15至20倍。
⑵设计出超硬新材料二硼化铼。
2007年4月20日,美国加州大学洛杉矶分校,无机化学、材料科学和工程学教授查德·凯恩主持的一个研究小组,在《科学》杂志上发表论文称,他们开发出一种新方法,用它制造的超硬材料,具有极强的耐摩性和抗裂性。
研究人员表示,超硬材料的用途非常广泛,无论是钻探石油和修公路用的钻头,还是精密仪器和手表表面的抗摩涂层,都需要使用超硬材料。
凯恩认为,金刚石之所以是世界上最硬的材料,是因为金刚石的碳原子间具有极短的共价键。
实事上,世界上所用的大多数金刚石都是人工合成的,而且价格非常昂贵。
金刚石粉未可用于制造石油钻头、筑路机和挖山洞用的挖穴机。
然而,金刚石不能用于切割钢铁,因为切割钢铁将毁坏金刚石刀片。
凯恩说,立方结构的氮化硼是金刚石的替代品,可以用来切割钢铁,但它是在非常高的温度和压力条件上合成的,其价格比金刚石还要昂贵。
超硬材料具有“超级不可压缩性”,意思是它们具有抵抗外形变化的抗性,这正是产生硬度的必要条件。
制造超硬材料的方法有两种:
一种是通过使用碳元素并将其与硼或氮合成在一起来仿制金刚石,从而保持较短的共价键;另一种是寻找具有“不可压缩性”的金属,并设法使其坚硬。
研究小组正在发展第二种方法。
凯恩说:
“我们的设想是合成一种‘不可压缩的’金属,这种金属碰巧是低硬度的,但它具有可以使其变硬的短共价键。
”
锇是一种相对柔软的金属元素,也是目前所知道的最具“不可压缩性”的金属。
2005年,凯恩研究小组把锇元素,与短共价键原子合成在一起,制造出一种几乎与金刚石同样“不可压缩的”材料。
它的硬度相当高,甚至可以在硬度达9级的蓝宝石上,划出痕迹(硬度的划分级别为1-10级)。
凯恩说:
“我们发现,如果把硼和锇结合在一起,只能使锇金属中锇原子的分隔距离扩大10%,这已经非常不错了;如果想尽可能地缩小原子之间的分隔距离,就需要寻找更好的过渡金属。
于是,我们仔细搜索了所有过渡金属,以确认是否有比锇更好的过渡金属,从而使膨胀系数少于10%。
我们发现只有铼具有这种潜力,因此,我们制造出二硼化铼。
”
铼是一种高密度、低硬度的金属,它在元素周期表中刚好排在锇元素的后面。
凯恩说:
“我们合成出短共价键,只能使铼金属中铼原子的分隔距离扩大5%,从而使其既具有‘不可压缩性’又非常坚硬。
铼金属中的铼原子之间的距离仅膨胀了5%,这是本篇科学论文的关键。
在某个方向上,二硼化铼的‘不可压缩性’与金刚石相同,在另一个方向上,二硼化铼的‘可压缩性’仅比金刚石稍高。
”在低作用力下,二硼化铼的硬度与立方结构的氮化硼相等。
在更高的作用力下,二硼化铼的硬度,仅比氮化硼稍低。
凯恩称:
“我们的材料非常坚硬,足以划破金刚石,比二硼化锇要硬得多。
”
而且,其它超硬材料,包括金刚石和立方结构的氮化硼,都是在昂贵的高压条件下制造出来的。
凯恩说,“我们的材料,只需要通过一种简单的程序就可以制造出来,不需要使用压力。
”在谈到合作时,凯恩说,“我之所以来到加州大学洛杉矶分校,之所以喜欢这个地方,是因为无论你做什么,比如,以我个人来说,无论你何时想要制造一种新材料,你经常需要你自己不具有的设备和技能。
而加州大学洛杉矶分校拥有材料制造领域的专家和相应的设备,每次我有疑问时,所有人都乐于帮助我进行实验,并积极地与我合作。
”凯恩认为,尽管新的超硬材料有巨大的潜力,但它们还不可能在短时间内取代金刚石。
(张明龙名家工作室供稿)
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