地球上有6种“最强的材料”，比金刚石还要坚硬|163

原子和分子的构型有无数种可能的组合，但任何材料中特定组合决定了它的性质。虽然金刚石被认为是地球上发现的最坚硬的物质，但它们既不是整体上最坚硬的物质，甚至也不是自然界中最坚硬的物质。目前已知有六种材料的强度更高，不过随着时间的推移，这一数字预计还会增加。

碳是自然界中最迷人的元素之一，它的化学和物理性质与其他任何元素都不同。它的原子核只有6个质子，能够形成一系列复杂的键。所有已知的生命形式都是以碳为基础的，因为它的原子特性使它能够一次与最多四个其他原子连接起来。这些键的几何形状也使碳能够自组装，形成稳定的晶格（特别是在高压下）。如果条件合适，碳原子可以形成一种被称为金刚石的固体超硬结构。

虽然金刚石通常被认为是世界上最坚硬的材料，但实际上有六种材料更坚硬。金刚石仍然是地球上最坚硬的自然物质和最丰富的材料之一，但这六种材料都“打败”了它。

达尔文吠蛛的蛛网是地球上最大的球形蛛网，而达尔文吠蛛的蛛丝是所有蛛丝中最结实的。最长的单股长度是82英尺，环绕整个地球的只需要1磅重。

有三种陆地材料不像金刚石那么坚硬，但它们的强度在各种各样的环境中很有趣。随着纳米技术的出现——以及对现代材料的纳米尺度理解的发展——我们现在认识到，有许多不同的指标来评估物理上有趣的和极端的材料。

在生物学方面，蜘蛛丝是出了名的坚韧。与大多数传统材料如铝或钢相比，它具有更高的强度重量比，它的“薄”和粘性也令人瞩目。在世界上所有的蜘蛛中，达尔文吠蛛最坚韧：比凯夫拉纤维强十倍。它是如此的薄和轻，大约一磅(454克)达尔文吠蛛丝可以组成一条足够长的线来绕地球一圈。

如图所示，组装后的碳化硅通常是自然形成的矿物小碎片。这些颗粒可以烧结在一起形成复杂的、美丽的结构，就像这张材料样品中所示的那样。它几乎和钻石一样坚硬，自19世纪晚期以来就被人工合成并。

作为一种自然形成的矿物，碳化硅的硬度仅略低于金刚石碳化硅是硅和碳的一种化学混合物，它们在元素周期表中所占的位置相同。它们可以通过高压低温烧结结合在一起，形成极硬的陶瓷材料。

这些材料不仅适用于各种高硬度的应用，如汽车刹车和离合器，防弹背心上的钢板，甚至适用于坦克的战斗装甲，而且还具有非常有用的半导体特性，用于电子产品。

有序的柱状排列，如图所示的绿色，已经被科学家们用作先进的多孔介质来分离各种材料。通过嵌入二氧化硅纳米球，科学家可以增加用于分离和过滤混合材料。这里展示的纳米球只是纳米球的一个特殊例子，在材料强度方面，自组装的种类几乎与钻石相当。

大约20年前，美国能源部的桑迪亚国家实验室首次制造出直径从50纳米到2纳米的微小二氧化硅球体。这些纳米球的不同寻常之处在于它们是中空的，它们可以自我组装成球体，甚至可以彼此嵌套在一起，而与此同时，它们仍然是人类已知的最坚硬的材料之一，硬度仅略低于金刚石。

与合成材料相比，生物材料是很弱的。这些自组装的纳米颗粒可以用于制造定制材料，应用范围从更好的净水器到更高效的太阳能电池，从更快的催化剂到下一代电子产品。然而，这些自组装纳米球的梦想技术可打印防弹衣，可根据用户的规格定制。

钻石可能会永远被销售，但它们和其他任何传统材料一样，也有温度和压力的限制。虽然大多数地球上的物质不能划破一颗钻石，但至少有六种物质，从许多方面来看，比这些自然形成的碳晶格更强或更硬。

当然，钻石比所有这些都要坚硬，但在地球上发现或创造的有史以来最坚硬的材料中，它仍然排在第七位。尽管它们已经被其他自然材料和人造合成材料所超越，但它们仍然保持着一项重要的记录。

钻石仍然是人类已知的最耐磨的材料。钛等金属的耐刮性要差得多，就硬度或耐刮性而言，即使是极硬的陶瓷或碳化钨也无法与钻石竞争。

但就硬度而言，有六种材料甚至达到了钻石级的水平。

就像碳可以组装成多种构型一样，氮化硼也可以具有非晶态、六角形、立方或四面体(纤锌矿)构型。氮化硼的纤锌矿结构比金刚石强。氮化硼还可用于制造纳米管、气凝胶和其他许多有趣的应用。

6)。纤锌矿型氮化硼。你可以用许多其他原子或化合物来代替碳来制造晶体，其中之一就是氮化硼(BN)，元素周期表上的第5和第7个元素结合在一起形成了各种可能性。它可以是非晶态、六角形(类似石墨)、立方(类似金刚石，但稍弱)和纤锌矿状。

最后一种形式非常罕见，但也非常困难。它是在火山爆发期间形成的，只是被发现的数量很少，这意味着我们从未通过实验测试过它的硬度。然而，根据最近的模拟，它形成了一种不同的晶格——一个四面体晶格而不是一个以面为中心的立方晶格——它比钻石坚硬18%。

两颗钻石来自Popigai陨石坑，该陨石坑是由已知的陨石撞击原因形成的。右边的物体(标记为a)是纯金刚石组成的，而左边的物体(标记为b)是金刚石和少量朗斯达莱石的混合物。如果能在不含任何杂质的情况下合成龙氏体，其强度和硬度将优于纯金刚石。

5)。六方碳。想象你有一个充满碳的流星，因此含有石墨，它穿过我们的大气层，与地球相撞。虽然你可能会把流星想象成非常热的物体，但只有外层才会变热；在它们大部分前往地球的旅途中，内部都保持低温。

然而，在与地球表面的碰撞中，内部的压力比地球表面的任何其他自然过程都要大，并导致石墨压缩成晶体结构。它不具有钻石的立方晶格，而是六方晶格，它的硬度比钻石高58%虽然真正的朗斯达里石含有足够的杂质，使他们比钻石更软，一个无杂质的石墨陨石撞击地球将毫无疑问产生的材料比任何地球上的钻石更硬。

这张图片显示了空心编织线制作的绳子的特写。对于某些使用织物或钢索的应用，Dyneema是当今人类文明中已知的最强的纤维材料。

4)。Dyneema。从这里开始，我们离开了自然存在物质的领域。Dyneema是一种热塑性聚乙烯聚合物，它的分子量特别高。我们所知道的大多数分子都是由原子链组成的，原子链上总共有几千个原子质量单位。但是超高分子量聚乙烯有非常长的链，其分子质量为数百万个原子质量单位。

由于它们的聚合物链很长，分子间的相互作用得到了极大的增强，形成了一种非常坚硬的材料。它是如此坚硬，事实上，它有最高的冲击强度，任何已知的热塑性塑料。它被称为世界上最坚固的纤维，性能超过所有的系泊和牵引绳。尽管比水轻，但它能挡子弹，强度是同等数量钢铁的15倍。

钯基金属玻璃的变形缺口显微图显示，初始尖锐裂纹具有广泛的塑性屏蔽。插图是一个放大视图剪切偏移(箭头)在塑性滑动期间发展的裂纹打开前。钯微合金具有已知材料中最高的综合强度和韧性。

3)。钯微合金玻璃。重要的是要认识到所有物理材料都有两个重要的特性：强度，即在变形之前它能承受多大的力；韧性，即破坏或断裂它需要多少能量。大多数陶瓷都很坚固，但韧性很差，从适中的高度掉下来都会摔碎。弹性材料，如橡胶，可以吸收很多能量，但很容易变形，根本不坚固。

大多数玻璃材料是脆的：坚固但不是特别坚硬。即使是强化玻璃，如耐热玻璃，也不是特别坚硬。但在2011年，研究人员开发了一种新型的微合金玻璃，它由五种元素组成(磷、硅、锗、银和钯)，钯提供了形成剪切带的途径，使玻璃能够塑性变形而不是开裂。它击败了所有类型的钢铁，因为它的强度和韧性的结合。它是最强不含碳的材料。

由碳纳米管制成的独立式纸，也就是巴克基纸，可以防止50纳米或更大的颗粒通过。它具有独特的物理、化学、电气和机械性能。据估计，其强度可以达到同等体积钢的500倍。这张图片显示了纳米实验室在扫描电子显微镜下的巴基纸。

2)。Buckypaper。自20世纪晚期以来，有一种比金刚石更坚硬的碳便广为人知：碳纳米管。通过将碳结合成六角形，它可以比人类已知的任何其他结构更稳定地保持一个刚性的圆柱形结构。如果你把碳纳米管聚集在一起，然后制作一个宏观的碳纳米管薄片，你就可以制作一个薄片：巴克基纸。

每一根纳米管的直径只有2到4纳米，但每一根都非常坚固。它的重量只有钢的10%，但强度却是钢的数百倍。它是防火的，具有巨大的电磁屏蔽性能，并可能导致材料科学，电子，军事甚至生物应用。但是巴克基纸并不是100%由纳米管制成的，这也许正是为什么巴克基纸不在这份名单的榜首。

石墨烯，在其理想的结构中，是一个完美的六角形排列的无缺陷碳原子网络。它可以被看作是无限排列的芳香分子。

1)。石墨烯。最后：一个只有一个原子厚度的六角形碳晶格。这就是石墨烯片的意义，可以说是21世纪最具革命性的材料。它是碳纳米管自身的基本结构元素，应用不断发展。石墨烯目前是一个价值数万亿美元的产业链，预计在短短几十年内将成长为一个价值数十万亿美元的产业链。

与它的厚度成比例，它是已知的最强的材料，是一种非凡的导热体和导电体，对光几乎100%透明。2010年诺贝尔物理学奖授予了安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃塞洛夫，以表彰他们在石墨烯方面的开创性实验，而石墨烯的商业应用才刚刚开始增长。到目前为止，石墨烯是已知的最薄的材料，而安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃塞洛夫的工作和他们的诺贝尔奖之间仅有6年的间隔，是物理学史上最短的间隔之一。