說起最硬的物質，大家腦（nǎo）海裏會浮現（xiàn）出（chū）什麽（me）呢？大概率會是象征著愛情與忠貞，還非常（cháng）昂貴的（de）鑽（zuàn）石吧（ba）。規律性排（pái）列的晶體結構賦予了鑽石堅硬的品質，但它在硬物撞擊下也容易（yì）發生碎裂。而看似（sì）沒有規律的玻（bō）璃態則在小範圍內具有獨特的秩序性。利用可調變的秩序性，中國科學家創造出了最硬的玻璃，它甚至可以劃傷鑽石，還不易（yì）碎裂。
在150千米深的地球內部，堅硬（yìng）的（de）岩石早（zǎo）已在高溫高壓下部分（fèn）熔化。這裏的溫度超過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變正在進行。經過數（shù）億年的時間，平平無奇的六邊（biān）形石墨（mò）晶體逐漸轉變成了晶瑩剔透的天然金剛石（鑽石）——這不僅是無數人幸（xìng）福婚姻的見證，也是自然界最堅硬的物質（zhì）。
金剛石極（jí）其（qí）堅（jiān）硬的原因在於其分子結構。在金剛石中（zhōng），每個碳原子的雜化方式都是sp3雜化。也就是說，分布在這4個雜（zá）化（huà）軌道上的價電（diàn）子，會分別與另外4個碳原子的價電子結合形成共價鍵，構成正四麵體。正是這樣牢（láo）固而緊密的立體結構，賦予了金剛石極高（gāo）的硬度。同時，金剛石中所有的價電（diàn）子都（dōu）參（cān）與了共價鍵的形成，沒有自由電子，這（zhè）種特（tè）殊的晶體結構使得金剛（gāng）石不具導電性。
雖然金剛石的硬度在自（zì）然界可謂無敵（dí），但如果你將女朋友的鑽戒砸向地（dì）麵，卻有可能目睹鑽石的裂縫，甚至是粉身碎骨。這是因為金剛石雖硬卻脆（cuì），在遇到硬物撞擊時容（róng）易碎裂。事實上，對於超硬晶體材（cái）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（zǐ）晶（jīng）體結構：金剛石（shí）晶體由（yóu）周期性重複排（pái）列的結構單元構成，正是這種有序性（xìng）使得晶體（tǐ）不同朝（cháo）向的結構各不相同，晶體的硬度也隨著晶向的變化而呈現各向異（yì）性（xìng），那些“較軟”的（de）晶麵就成為了金（jīn）剛石的（de）“軟肋”。
在材料領域，一個與（yǔ）“晶體”相對應的概念是“玻璃（lí）”。與有序的晶體相反，玻璃（lí）態，也就是（shì）非晶體材料具有相（xiàng）對無序的結構，隻在幾個原子的小區域內具有短程有序性。這種具有一定（dìng）秩序的混亂結構會呈現什（shí）麽意想不到的性能？
最近，在一項（xiàng）發表於《國家科學評論》（NSR）雜誌的（de）研（yán）究中，來自燕山大學的研（yán）究團隊就研製出了一（yī）種（zhǒng）全新的玻璃材料——不僅硬度（dù）超過了金剛石，並且具備金剛石不具備的韌性，以及半導體特性。
Part.1 最強（qiáng）、最硬的玻璃
領導這項研究的田永君院士一直深耕於超硬材料領域，例如（rú）早在2013年，他（tā）就帶（dài）領團隊合成了一種硬（yìng）度超過金剛石的納米孿（luán）晶立方氮化硼，這項突破也登上（shàng）了《自然》期（qī）刊。而在最新的研究中，田永君團隊使用的原材料（liào）是富（fù）勒烯（C60）。富勒烯的碳原子都是sp2雜化，結構規整，具有高度（dù）的對稱性。因此，在800℃下，5GPa的壓力就足以破壞富勒烯高（gāo）度對稱的結構。
研究團隊正是利用了這一性（xìng）質，他們（men）希（xī）望在（zài）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（gòu）中（zhōng）的sp2雜化碳更大程度地（dì）向sp3雜化轉變。將其解構的目的就是要再重建，以得到結構無序、不“完美”的玻璃態。為此，他們選擇在25GPa的高壓條件下不斷升高溫（wēn）度。隨著溫度的升高，規整的晶體結構逐步瓦解，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射線衍射光譜中不再顯現（xiàn）出類似於石墨（mò）的結構特征峰，而是出（chū）現了對應於金剛（gāng）石晶麵的寬衍射峰。這一點完（wán）全不同於以往合成的玻璃態碳材料——此前報道的玻璃態（tài）碳材料都會呈現與石墨結構相似（sì）的衍射峰（fēng），也就是說，碳原子的主要雜化方式依然是（shì）sp2。而在最（zuì）新研究中，富勒烯sp2雜化碳逐漸轉變為sp3雜化（huà），並在1000℃時，sp3雜化的正四麵體結構後來者（zhě）居上，占據了主導的位置。
對於研究團隊（duì）來說（shuō），1000℃隻是一（yī）個開端（duān）。當他們持續升高反應溫度，碳原子中sp3雜化的比例越來越高——電子能量損失譜證實，在1000℃、1100℃和1200℃時，sp3雜化程度分別約（yuē）為69%、77%和94%。sp3雜化程度越高（gāo），材料（liào）的密度也越大。在高（gāo）分辨率（lǜ）透射電鏡下，平均“粒（lì）徑”也越來越小，分布趨於均勻。對於玻璃態來說，這衡量（liàng）了（le）整體混亂結構中的（de）秩序性，意味著逐漸（jiàn）降低的混亂度與隨之升高的秩序性。研究團（tuán）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℃時形成的sp3雜化程度最高、最為（wéi）致密的AM-III格外引人關注。對AM-III的力學性質測定顯示，其維氏硬度（HV）高達~113GPa，可以刻劃維氏硬度為103GPa的單晶金剛石晶麵。除了超高的硬（yìng）度之外，AM-III的強度也可以與金剛石相媲美：這種材料的表麵能承受高達~70GPa的壓力而不會（huì）出現裂（liè）痕。這是迄今為止發現的最硬、最強的玻璃態的碳。
此外，玻璃態AM-III的高硬度在材料（liào）內部的各個（gè）方向都（dōu）基（jī）本一致，即具有各（gè）向同性。相比於因各向異性而存在“軟（ruǎn）肋”的（de）金剛石，AM-III作為一種新型玻璃，完美解決了超硬晶體（tǐ）韌性不足的問題。
Part.2 應用前景
除了超硬、超強的力學性質外，AM-III也是半導體，它的帶隙（導帶的（de）最低點與價帶的最高（gāo）點的（de）能量（liàng）之差）範圍為（wéi）1.5~2.2eV，與最常用的（de）半導體非晶矽（guī）薄膜的（de）帶隙相當。因此，這種結合（hé）了（le）優（yōu）越的力學性能與半導體性能的新型“玻（bō）璃”有望在（zài）光伏（將太陽能轉化為電能）領域（yù）大展身（shēn）手。
這不是（shì）該團隊第一次在超硬材料領域進行這樣創新（xīn）的嚐（cháng）試。現（xiàn）在，新的實驗揭示了無序玻璃可以媲美有序晶體的可能性。一步一步解構晶體結構，再形成新的化學鍵，最終得（dé）到結構無序、不完美的（de）玻璃態。這些本（běn）質（zhì）上具有獨特秩序（xù）的混亂結構，卻能帶來驚喜，甚至有可能超越有序的完美晶體（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（fā）揮到極致。
