能不能找到比金剛石綜合性能更優(yōu)異的新的超硬材料？
一份來自中國燕山大學亞穩(wěn)材料制備技術與科學國家重點實驗室的論文——《共價晶體的硬度》，提出了共價材料硬度的微觀理論，給出了預測超硬材料硬度的公式，解決了困擾材料科學家近一個世紀的難題。
按照這一公式，不用花費巨資去合成任何一種材料，就能預先知道它有多硬�！豆矁r晶體的硬度》讓人類在硬度科學理論研究方面前進了一大步。
1、“究竟誰比誰硬”近一個世紀的難題
在自然界中，色彩瑰麗、晶瑩剔透的金剛石是一種稀有的、已知物質中*堅硬的單礦物晶體。
金剛石按用途分為兩類：質優(yōu)粒大可用作裝飾品的稱寶石級(或稱鉆石級)金剛石，質差粒細用于工業(yè)的稱工業(yè)用金剛石。工業(yè)用金剛石以其超硬性被廣泛地應用于機電、光學、建筑、交通、冶金、地質勘探、國防等工業(yè)領域和現(xiàn)代高科技領域。金剛石是一種稀有的非金屬礦產(chǎn)資源，到目前為止全球已探明的儲量也僅有19億克拉(相當于380噸)，而我國的天然金剛石儲量僅有4.18噸，這遠遠滿足不了人類對金剛石的需求。
從19世紀末開始，人類便嘗試人工合成金剛石。經(jīng)過科學家們長期不懈的努力，終于在1955年由美國科學家霍爾(Hall)*次采用高溫高壓技術用石墨合成了金剛石，這是人類合成超硬材料史上的*個里程碑，它使人類將金剛石大批量地應用于工業(yè)成為現(xiàn)實。時至今日，該方法仍是合成工業(yè)金剛石的主要方法。然而，在金剛石被應用于工業(yè)的實踐中，人們發(fā)現(xiàn)了它的兩個致命的弱點：一是熱穩(wěn)定性差，當溫度達到700℃以上時，金剛石開始轉變?yōu)槭�，后者的硬度與金剛石有天壤之別；二是化學惰性差，金剛石在加工鋼鐵材料時易與材料中的鐵發(fā)生化學反應，從而不同程度地喪失了超硬特性，使應用受到限制。這促使科學家們又開始了探求硬度與金剛石相當且能克服上述弱點的新型超硬材料的嘗試。
由于六方氮化硼的熱穩(wěn)定性和化學惰性都優(yōu)于石墨，同時，硼-碳鍵的鍵長與碳-碳鍵的鍵長十分接近，科學家們推測：六方氮化硼有可能成為硬度與金剛石相當?shù)男阅芨觾?yōu)異的新型超硬材料。1957年，美國通用電器公司的科學家Wentorf利用六方氮化硼成功地合成出了“立方氮化硼”。它的熱穩(wěn)定性和化學惰性的確明顯優(yōu)于金剛石，但是人們發(fā)現(xiàn)，它的硬度只有66GPa，相當于金剛石硬度(95GPa)的三分之二，這完全出乎了科學家的預想，但“立方氮化硼”的人工合成仍被科學家稱為人類合成超硬材料的第二個具有里程碑意義的重要成果。
在隨后的幾十年中，全球的材料科學家始終沒有放棄過尋找新型超硬材料的努力。進入21世紀以后，2001年，烏克蘭科學家Solozhanko合成出了第三個超硬材料立方BC2N，硬度達到76GPa；2002年，美國一個研究小組的賀瑞威博士又合成出了一種超硬材料B6O，其硬度為45GPa。這些新成果使全球的材料科學家尋找新型超硬材料的熱情又達到了新的高潮。
然而，在尋找新的超硬材料的艱難跋涉中，科學家對硬度這個常用的宏觀物理量的微觀本質一直缺乏深刻的認識，只知道硬度這種常用的物理量的宏觀本質，但始終沒有在微觀的尺度上找到適當?shù)膶�，因此沒有一個比較基礎的理論能夠告訴材料科學家哪一種原子排列方式可以造成比較大的硬度。也就是說，一直沒有一個統(tǒng)一的理論能夠預測超硬材料的硬度。所以，在探求新型超硬材料的具體科學實踐中，科學家們只能用各種間接的方法來預測新型超硬材料，雖然也取得了一定的進展，卻無法在合成前準確地測出材料的硬度，只能在合成后測量硬度。這種方法需耗費大量的人力、物力和財力。科學家們將這種方法比喻為“炒菜法”，即一道菜只有在炒出來后才能知道它的色、香、味的具體情況。
早在1934年，英國科學家O·Neill在他的一本專著中曾無奈地寫道：“硬度就像大海的暴風度一樣，容易理解，但不容易度量。”美國物理學家Teter在1998年的一篇綜合評述中也發(fā)出了“硬度不僅僅是難以度量的，而且難以定義”這樣的慨嘆。
2、“我知道誰比誰硬”材料硬度的微觀理論
2003年7月4日，國際著名學術期刊、美國物理學會主辦的《物理評論快報》上發(fā)表的一篇論文引起了全球物理學界和材料科學界科學家的普遍關注。
這篇名為《共價晶體的硬度》的文章是我國燕山大學亞穩(wěn)材料制備技術與科學重點實驗室的科研成果。論文基于“共價材料硬度等于單位面積上的化學鍵對金剛石壓頭的抵抗阻力”這一假設，提出了共價材料硬度的微觀理論，從而科學地揭示出硬度這個宏觀物理量的微觀實質，準確地預測了*新合成的超硬材料———立方BC2N晶體(B：硼、C：碳、N：氮)的硬度。
一石激起千層浪，眾多關注的目光紛紛投向中國的燕大。7月9日，由美國物理學會主辦的評論性雜志《物理評論焦點》(Physi-calReviewFocus)又對這一成果作了專題評論和介紹�！段锢碓u論焦點》
平均每周在美國物理學會主辦的所有刊物上發(fā)表的學術論文中，選出一至二篇**的論文進行專題評論和介紹，這更令全球物理學界和材料學界對中國燕山大學亞穩(wěn)材料制備技術與科學重點實驗室刮目相看。
為了這一天，燕山大學亞穩(wěn)材料制備技術與科學重點實驗室的科研人員已付出了大量的努力。從1999年起，該實驗室的科研人員開始探索在硼(B)、碳(C)、氮(N)三元材料體系中尋找新型超硬材料的可能性。研究工作伊始，科研人員便面臨了那個科學家們經(jīng)過近一個世紀的努力尚未解決的老難題，即如何在原子層次上從硼-碳-氮三元體系中設計出新型超硬材料。
燕大亞穩(wěn)材料重點實驗室的科研人員通過假設硬度是單位面積上每個化學鍵對壓頭的阻抗之和，進而提出了描述極性共價固體硬度的微觀理論，用公式可以表示為：Hv=556(Hv：共價固體的硬度，Na：鍵的密度，fi：鍵的Phillips離子性，d：共價鍵的鍵長)，并推廣到多元復雜極性共價固體。用該方法預測了29種材料的硬度，包括新近合成的三元超硬材料β-BC2N的硬度。理論預測與已知材料硬度的實驗值非常吻合。
這項成果從電子水平上定義和理解了共價固體的硬度，一個世紀以來*次使人們能夠基于晶體的原子排布情況來預測其硬度，為進一步設計出新的超硬材料奠定了理論基礎。
該成果2003年7月4日發(fā)表在美國《物理評論快報》(Phys.Rev.Lett.)雜志上。美國《物理評論快報》雜志的*個審稿人認為：“這是一篇非常好的文章，與實驗(結果)的一致性給人印象深刻，這不是強加給人的，而是從復雜的物理處理過程中表露出來的�！钡诙䝼�審稿人認為：“建立晶體的可測量的宏觀性能與微觀電子結構的聯(lián)系是現(xiàn)代材料科學的一個重要主題�；�30多年前J·C·Phillips提出的離子性這一老概念，本文報道了預測共價晶體硬度的一個經(jīng)驗方法。對于大量所選晶體而言，給出的結果與實測的硬度值非常一致……*次閱讀本文時，結果給我留下了深刻印象�！�
文章發(fā)表后，在國際上引起了強烈的反響，美國紐約的自由科學撰稿人J·R·Minkel在PhysicalReviewFocus上以“一層一層地揭開硬度的面紗”為題作了專題介紹和評述，評述開頭寫道：“基于材料的原子結構預測材料的硬度常常像試圖用粉筆刻劃金剛石一樣難。所謂離子性這一原子鍵特性似乎與硬度有關，基于這一性質，在7月4日PRL上，一個研究小組終于得到了硬度的一個明確的公式。該公式成功地預測了幾種材料的硬度，包括一個*近合成的超硬材料。該結果幫助建立了一個硬度的微觀模型，并且有助于尋找新的超硬化合物�！泵绹冗M陶瓷通報發(fā)表了“度量超硬材料的硬度(試驗與測量)”的專題評述，在評述開頭寫道：“基于材料的原子結構預測材料的硬度，公認地難�！绷硗獾聡诟呒夹g欄目以“公式預測共價晶體的硬度”為題也都作了專題評述；奧地利、伊朗等國的專業(yè)科學雜志或組織也紛紛就此發(fā)表評論，介紹該項成果或做了轉載。
3、"理解它不需深奧理論"化學鍵理論取得新進展
燕山大學亞穩(wěn)材料制備技術與科學國家重點實驗室建立的硬度微觀理論公式采用化學鍵的鍵長、鍵密度和鍵的離子性來度量硬度。在對這一理論的進一步研究中，科研人員發(fā)現(xiàn)，關于離子性的真實情況與傳統(tǒng)經(jīng)典理論的表述并不一致。
離子性是物理、化學和材料科學中通用的一個重要的基本概念，它是電荷在空間分布對稱程度的度量。20世紀30年代，美國科學家鮑林(L·Pauling，1954年諾貝爾化學獎得主)基于兩種原子的電負性差提出了*個離子性標度。20世紀60年代美國科學家菲利普斯(J·C·Phillips)基于化學鍵的介電理論又提出了一個新的并被廣泛采用的離子性標度。根據(jù)這些經(jīng)典的化學鍵理論，離子性只存在于由不同原子構成的化學鍵當中，在這些具有離子性的化學鍵上伴隨著電荷轉移發(fā)生。在該理論框架內，同種原子形成的化學鍵并不表現(xiàn)出離子性。
科研人員在應用硬度微觀理論模型計算含有B12二十面體的富硼固體硬度時發(fā)現(xiàn)：當他們像經(jīng)典化學鍵理論那樣將B12二十面體中B-B鍵的離子性取為0時，富硼固體的硬度比實驗值高20～44%。為此他們猜測B12二十面體中的B-B鍵有可能具有離子性。*性原
