全世界最硬的玻璃，被中国科学家造出来了，为中国点赞比钻石还硬的玻璃在150千米深

比钻石还硬的玻璃

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在150千米深的地球内部，坚硬的岩石早已在高温高压下部分熔化。这里的温度超过1000℃ ，压力更是相当于地表的5万倍。在犹如炼炉的环境中，自然界中最美妙的转变正在进行。经过数亿年的时间，平平无奇的六边形石墨晶体逐渐转变成了晶莹剔透的天然金刚石（钻石）——这不仅是无数人幸福婚姻的见证，也是自然界最坚硬的物质。
金刚石极其坚硬的原因在于其分子结构。在金刚石中，每个碳原子的杂化方式都是sp3杂化。也就是说，分布在这4个杂化轨道上的价电子，会分别与另外4个碳原子的价电子结合形成共价键，构成正四面体。正是这样牢固而紧密的立体结构，赋予了金刚石极高的硬度。同时，金刚石中所有的价电子都参与了共价键的形成，没有自由电子，这种特殊的晶体结构使得金刚石不具导电性。
左图为sp2杂化的碳原子及其构成的平面分子结构；右图为sp3杂化的碳原子以及金刚石分子结构（图片来源：10.3844/ajeassp.2018.766.782）
虽然金刚石的硬度在自然界可谓无敌，但如果你将女朋友的钻戒砸向地面，却有可能目睹钻石的裂缝，甚至是粉身碎骨。这是因为金刚石虽硬却脆，在遇到硬物撞击时容易碎裂。事实上，对于超硬晶体材料来说，硬度和韧性往往不可兼得。这主要归根于金刚石的原子晶体结构：金刚石晶体由周期性重复排列的结构单元构成，正是这种有序性使得晶体不同朝向的结构各不相同，晶体的硬度也随着晶向的变化而呈现各向异性，那些“较软”的晶面就成为了金刚石的“软肋” 。
在材料领域，一个与“晶体”相对应的概念是“玻璃” 。与有序的晶体相反，玻璃态，也就是非晶体材料具有相对无序的结构，只在几个原子的小区域内具有短程有序性。这种具有一定秩序的混乱结构会呈现什么意想不到的性能？
最近，在一项发表于《国家科学评论》（NSR）杂志的研究中，来自燕山大学的研究团队就研制出了一种全新的玻璃材料——不仅硬度超过了金刚石，并且具备金刚石不具备的韧性，以及半导体特性。
最强、最硬的玻璃
领导这项研究的田永君院士一直深耕于超硬材料领域，例如早在2013年，他就带领团队合成了一种硬度超过金刚石的纳米孪晶立方氮化硼，这项突破也登上了《自然》期刊。而在最新的研究中，田永君团队使用的原材料是富勒烯（C60）。富勒烯的碳原子都是sp2杂化，结构规整，具有高度的对称性。因此，在800℃下， 5GPa的压力就足以破坏富勒烯高度对称的结构。

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研究团队正是利用了这一性质，他们希望在合适的高温高压条件下瓦解富勒烯的晶体结构，使原本结构中的sp2杂化碳更大程度地向sp3杂化转变。将其解构的目的就是要再重建，以得到结构无序、不“完美”的玻璃态。为此，他们选择在25GPa的高压条件下不断升高温度。随着温度的升高，规整的晶体结构逐步瓦解，在800℃时就可以由晶体结构完全转变为玻璃态。
此后，伴随着温度的进一步升高，意想不到的变化出现了。在1000℃时，材料在X射线衍射光谱中不再显现出类似于石墨的结构特征峰，而是出现了对应于金刚石晶面的宽衍射峰。这一点完全不同于以往合成的玻璃态碳材料——此前报道的玻璃态碳材料都会呈现与石墨结构相似的衍射峰，也就是说，碳原子的主要杂化方式依然是sp2 。而在最新研究中，富勒烯sp2杂化碳逐渐转变为sp3杂化，并在1000℃时， sp3杂化的正四面体结构后来者居上，占据了主导的位置。