金刚石是公认的自然界中最为坚硬的材料，在工业生产中常将其融入磨具或切割工具表面使用。不过，将其作为一种贵重的宝石时，大家更愿意叫它钻石。

金刚石本身是碳的一种同素异形体，其化学元素本质与石墨无异。但金刚石晶体结构中碳原子的排列成稳定的正四面体状，每个碳原子在空间的四个方向上都由极强的碳-碳共价键与其他原子相连，所以晶体中几乎所有的共价电子都参与了共价键的形成而没有自由电子。故金刚石硬度极大，熔点极高且绝缘性极好。其他一些与金刚石晶体结构相似的材料，如氮化硼等，也都能表现出不俗的硬度。

事实上，在相当长的时间内，人们都认为天然金刚石是最硬的材料，想超越其硬度是不可能的（包括从1955年开始出现的各种人造金刚石在内）。

但是在2014年，中国科学家利用纳米技术造出了硬度为天然金刚石两倍的材料，它的名字就是——纳米孪晶金刚石！

纳米孪晶金刚石：左图为透射电镜照片，右图为光学照片

你可能想问，金刚石已经如此完美，所谓纳米技术就是要把它的微观结构弄得更加细碎，怎么还能让它更坚硬呢？

这就要从材料的实际情况出发了：通常的材料，不论它是天然的还是人造的，都很难是一整块完美的晶体（单晶），除非利用成本极高的分子生长技术且不惜时间才能做得出来（制备某些特殊单晶材料可以省掉这种成本，比如单晶硅）。

通常的晶体都是多晶，也就是材料是由内部一个一个的小晶粒拼接而成，虽然每个小晶粒内晶体结构通常可以完美坚固，但是晶粒之间的结合（晶界）就是另一回事了。高强度材料中，晶界可以很好的阻碍晶粒之间的滑动与错位，将其完美的结合在一起而达到“浑然一块”的效果，从而深刻影响着材料的整体强度。

科学家们在很多材料中发现，晶粒越小（在一定范围内），晶界越多，材料的强度就越高，这被称为“Hall-Petch效应”。解释其原因的话，这里可以举一个粗糙的例子：想把两个很重的大石头用一层水泥粘接在一起，即便水泥质量再好也很难保持结实；但是同样的重量，如果是非常多的小石块，就可以利用水泥将其浇筑成非常结实的结构。因而，把材料中的晶粒变小，让晶界变多可以提高材料的强度。

上面单独理解了“纳米”的好处，那这个“纳米孪晶”又是什么呢？

其实，孪晶是一种特殊的成晶方式：构成孪晶的两个晶粒沿一个公共晶面构成镜面对称的关系。孪晶粒之间的晶界，比起一般的晶界来，更加紧密结实。所以用上面的例子类比，在纳米孪晶中不光是提升了石子之间“水泥”的数量，连质量也有所提高！因而这项技术可以形成非常结实的材料——这就是纳米孪晶金刚石坚硬无比的奥秘。

现在，纳米孪晶技术已经广泛的开展于各种材料的研究之中。