說起最硬的物質（zhì），大家腦海裏會浮（fú）現出什（shí）麽呢？大概率會是象征著愛情與忠貞，還非常（cháng）昂貴的鑽石吧。規律（lǜ）性排列（liè）的晶體結構（gòu）賦予了鑽石堅硬的品質，但它在硬物撞擊下也容（róng）易發生碎裂。而看似沒有規律的玻璃（lí）態則在小範圍內具有獨特（tè）的秩序性。利用可調（diào）變的秩序性，中國科學家創造出了最硬（yìng）的玻璃，它（tā）甚至可以（yǐ）劃傷鑽石，還（hái）不易碎裂。
在（zài）150千米深的地球內部，堅硬的（de）岩石早已在高溫高（gāo）壓下部分熔化。這（zhè）裏的溫度超（chāo）過1000℃，壓力更是相（xiàng）當於地表的5萬倍。在猶如煉爐的環境中，自然界中最美妙的轉（zhuǎn）變正在（zài）進行。經過數億（yì）年的時間，平平無奇的六邊形石墨晶體逐漸轉變成了晶瑩剔透的天然金剛石（shí）（鑽石）——這不僅是無數（shù）人（rén）幸福婚姻的見（jiàn）證，也是自然界最堅硬的物質。
金剛石極其堅硬的原因在於其分子結構。在金剛石（shí）中（zhōng），每個碳原子的雜化方式都是sp3雜（zá）化。也就是說，分布在這4個雜化軌道（dào）上的價（jià）電子，會分別與另（lìng）外4個碳原子的價電子結合形成共價鍵，構成正四麵體（tǐ）。正是這樣（yàng）牢固而緊（jǐn）密（mì）的立（lì）體結構，賦予了金剛石極高的硬度。同時，金剛石中所有的價電子都參與了共（gòng）價鍵的形成，沒有自由電子（zǐ），這種特殊的晶體結構使得金剛石不具導電性。
雖然金（jīn）剛石的硬度在自（zì）然界可（kě）謂無敵，但如果你（nǐ）將（jiāng）女朋友的鑽戒砸向地麵，卻有可能目睹鑽石的裂縫（féng），甚至是粉（fěn）身碎骨（gǔ）。這是因為金剛石雖硬卻脆，在遇到（dào）硬物撞擊時容易碎裂（liè）。事實上，對於超硬晶體材料來說，硬度和韌性往往不可兼得。這主要歸根於金剛石的原子晶體（tǐ）結構：金剛石晶體由周期性重複排列的結構單元構成，正是這種有（yǒu）序性使得晶體不同朝向的結構各不相同，晶體的硬度也隨著晶向的變化而呈現（xiàn）各向異性，那（nà）些“較軟”的晶麵就成（chéng）為了金剛石的（de）“軟肋”。
在材料領域（yù），一個與“晶（jīng）體”相對應（yīng）的概念是“玻璃”。與有序的晶體相反，玻璃態，也就是非晶（jīng）體材料具有（yǒu）相對無序的結構，隻（zhī）在幾個原子的小區域內（nèi）具有短程有序性。這（zhè）種具（jù）有一定秩序的（de）混亂結構會呈現什麽意想不到的性（xìng）能？
最近，在一項發表於《國家科（kē）學評論》（NSR）雜誌的研究中，來自燕山（shān）大學的研究團隊就（jiù）研製出了一種全新的玻璃材料——不僅硬度超（chāo）過了金剛石，並且具備金剛石不具備的韌性（xìng），以及半導體特（tè）性。
Part.1 最強、最硬的玻（bō）璃
領導（dǎo）這（zhè）項研究的田（tián）永君（jun1）院士一直深耕於超硬材料領域，例如早在2013年，他就帶（dài）領團隊合成了一種硬度超過金剛石的納米孿晶立方（fāng）氮化硼，這項突破也登上了《自然》期刊。而在最新的研究中，田永君團隊使用的（de）原材料是富勒烯（C60）。富（fù）勒烯的碳原子都是sp2雜化，結（jié）構規整，具有高度的對稱性。因此，在800℃下，5GPa的壓力就足以破壞富勒烯（xī）高度對稱的結構。
研究團隊正是利用了這一性質，他們希望在合適的高溫高壓條件下瓦解富勒烯的晶體結構，使（shǐ）原本結構中的sp2雜化碳更大程度地向sp3雜化轉變。將其解構的目的就是要再重建，以得到結構（gòu）無序、不（bú）“完美”的玻璃態。為此，他們選擇在25GPa的高壓條件下不（bú）斷升（shēng）高溫度。隨著溫度的升高，規整的晶體結（jié）構逐步瓦解，在800℃時就可以由晶體結構完全轉變為玻璃態。
此後，伴隨著溫度的進一步升高，意想不到的變化出現了。在1000℃時，材料在X射線（xiàn）衍射光譜中（zhōng）不再顯現出類似於石墨（mò）的結構特征峰，而是出現了對應於金剛石晶麵的（de）寬衍射峰。這一點完全不同於以往（wǎng）合成的玻璃態碳材（cái）料——此前報道的玻璃態碳材料都會呈現與石墨結構相似的衍射（shè）峰，也就是說，碳原子的主要雜化（huà）方式依然是sp2。而在最新（xīn）研（yán）究中，富勒烯sp2雜化碳逐漸轉變為sp3雜化，並在1000℃時，sp3雜化的正四麵體結構後來者居（jū）上，占據了主導的位置。
對於研究團隊來說，1000℃隻是（shì）一個開端。當他們持（chí）續升高反應溫度，碳原（yuán）子中sp3雜化的比例越（yuè）來越高——電子能量（liàng）損（sǔn）失譜證實，在1000℃、1100℃和1200℃時，sp3雜化程度分別約為69%、77%和94%。sp3雜化程度越高，材料的密度（dù）也越大。在高分辨率（lǜ）透射電鏡下，平均“粒徑”也越來越小，分布趨於均勻。對於玻璃態來說，這衡量（liàng）了整體混亂結構中的秩序性，意味著（zhe）逐（zhú）漸降低的混亂度與隨之升高的秩序性。研究團隊分別將1000℃、1100℃和1200℃下的新型“玻璃”命名（míng）為AM-I、AM-II和AM-III。（AM即amorphous，表示玻璃態。）
其中，1200℃時形（xíng）成的sp3雜化程度最高、最為（wéi）致密的AM-III格（gé）外引人關注。對AM-III的力學性質測定顯示，其維氏硬度（HV）高達~113GPa，可以刻劃維（wéi）氏硬度為103GPa的單晶金剛石晶麵。除了超高的硬度之外，AM-III的強（qiáng）度也可以與金（jīn）剛石相媲美：這（zhè）種材料的表麵能承受高達（dá）~70GPa的壓（yā）力而不會出現裂痕。這是迄今為止發現（xiàn）的最硬、最強的玻璃（lí）態的（de）碳。
此外，玻璃態（tài）AM-III的高硬度在材料內部的各（gè）個（gè）方向都基本一致，即具有各向同性。相比（bǐ）於因各向異性而存（cún）在“軟肋”的金剛石（shí），AM-III作為一（yī）種新型玻璃，完美解決了超硬晶體韌性不足的問題（tí）。
Part.2 應用前（qián）景
除了（le）超硬、超強（qiáng）的力（lì）學（xué）性質外，AM-III也是半（bàn）導體，它的帶隙（導帶的最低（dī）點與價帶的最高點的能（néng）量之差）範圍為1.5~2.2eV，與最常用的半導體非晶矽薄膜的帶隙相當。因此，這種結合了優越的力（lì）學性能與半導體性能的（de）新型“玻璃”有望在光伏（fú）（將太陽能轉化為電（diàn）能）領域（yù）大展身手。
這不是該團隊（duì）第一次在超硬材料領域進行這樣（yàng）創新的嚐試。現在，新的（de）實驗揭示了（le）無序玻璃可以（yǐ）媲（pì）美有序晶體的可能性。一步一步解構晶體結構，再（zài）形成新的化學鍵，最終得到結構無序（xù）、不（bú）完美的玻璃態（tài）。這些本質上（shàng）具有獨特秩（zhì）序的混亂（luàn）結構，卻能帶來驚喜，甚至（zhì）有可能超越有序的完（wán）美晶體（tǐ）。它讓科學家看到利用混亂中的秩序，可以將“玻璃”的特性發揮到極致（zhì）。
