但科学家们近日合成了一种硬度超越钻石的新材料,永远不改变

钻石

田永军表示,通过未来的进一步研究,这种超硬度材料的价格将会与目前市面上出售的普通立方氮化硼材料相接近,其可能的应用领域将包括机械加工,打磨和切割等,还有科学仪器的制造。

人造金刚石的主要合成方法有两种:高温高压合成法和化学气相沉积法。

这是一个直径2毫米的纳米孪晶立方氮化硼材料

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硬度发生如此提升的奥秘在于其内部的纳米结构。田永军(Yongjun
Tian,音译)和其它研究人员使用洋葱般层状结构的氮化硼颗粒,然后将其在1800摄氏度高温和15
GPa(相当于汽车胎压的6.8万倍)环境下压缩,在这种条件下这些晶体发生再结晶并形成孪晶结构。

金刚石原石

科学家合成新型纳米材料硬度超钻石

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然而纳米孪晶的形式可以进一步提升结构强度,对于氮化硼来说,其可以达到在4纳米尺度上保持强度。这样得到的晶体结构在极高的温度下也仍然是稳定的。

监制:中国科学院计算机网络信息中心

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在1500°C时产生5GPa的压力

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10.02克拉HPHT无色钻石,毛坯是在300小时内生长出来的

研究人员表示:“在我们制成的纳米孪晶立方氮化硼结构实现了优异的热稳定,化学稳定性和硬度的两者兼得。其硬度甚至可以媲美金刚石,从而使其成为适合工业应用的理想材料。”

化学气相沉积法所需的压力较低:在1000℃和12kPa下,以氢气为催化剂,让甲烷离解出的碳原子在电场的引导下,在金刚石籽晶片上连续层状沉积,最终结晶生长成钻石单晶体。

来自美国芝加哥大学,新墨西哥大学,中国燕山大学,吉林大学以及河北工业大学的科学家们近期成功合成一种具有超高硬度的氮化硼材料,不同于一般的氮化硼材料,这种新材料形式的硬度超过了钻石。

最初的合成方法,也是目前普遍使用的方法,是高温高压合成法。

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钻石的分子结构

北京时间2月1日消息,据英国《新科学家》杂志网站报道,传统上认为钻石是自然界硬度最高的物质,也因此常常会被用在工业钻头上。但科学家们近日合成了一种硬度超越钻石的新材料。

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当然现在的问题在于,要想精确地测定一种材料的硬度,你需要制造一种硬度比它更高的材料,将其制成倒金字塔型,然后测试看看需要多大压力才能将塔尖压入待测材料。因此从这个角度上来说,要想精确测定此次科学家们合成的这种超硬度材料还另需时日。

目前CVD法合成钻石的鉴定要点,主要是观察二维层状生长结构,与高能光源下的荧光以及磷光反应。

在纳米孪晶结构中,相邻的原子共用一个边界,就像公寓楼里相邻的房间共用一堵墙壁一样。而为了让晶体硬度更高,科学家们尽量让晶体颗粒的体积变小,这就让它的结构被瓦解的可能性大大降低,因为极小的颗粒就意味着要想在其紧凑的原子之间插入其它东西变得越发困难。然而这样的做法遇到了瓶颈:在大约10纳米的尺度上,晶体结构的内在缺陷效应几乎已经开始抵消紧凑结构带来的稳定性了,反而开始削弱整体结构。

目前这种合成钻石的鉴定要点,主要是观察钻石内部的金属包体,以及高能光源激发下异常的结构色。

根据研究人员们进行的相关测试,这种透明物质的硬度胜过钻石,或者至少与之相当。其维氏硬度测试达到108
GPa,而人造钻石的这一分值是100
GPa,而一般市场上的立方氮化硼材料的硬度值只有其一半左右。

钻石是指经过琢磨的金刚石,是碳元素在高温、高压条件下形成的一种单质晶体,被公认为“宝石之王”。钻石的摩氏硬度为10,在自然界物质中硬度最高。

根据一些公司的市场总监表示:“人造钻石和天然钻石的成分其实是一模一样的,也可以说都是货真价实的钻石,我们只是把大自然中的天然反应搬进了实验室里,除非有人执着于对自然钻石的向往和追求,否则理论上应该会很畅销。”另外在价格方面,人造钻石比相同克拉数和质量等级(包括颜色、清晰度、切割完整程度等)的天然钻石要便宜大约40%,性价比高也是一个大的卖点。

2、在300小时内生长出来的人造钻石

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3、人造钻石“步步紧逼” 它能替代天然钻石吗?

上面提到钻石硬度的问题,其实现在钻石的硬度不一定是最高的啦,前面恐怕要有个定语—“自然的”。因为科学家研究出了超硬纳米孪晶立方氮化硼,
这种材料从微观上看就像洋葱一样一层包着一层,不知道未来会不会取代钻石,成为见证爱情的新宠。

在钻石晶体中,碳原子按四面体成键方式互相连接,组成无限的三维骨架,是典型的原子晶体。每个碳原子都以SP3杂化轨道与另外4个碳原子形成共价键,构成正四面体。由于钻石中的C-C键很强,所以所有的价电子都参与了共价键的形成,没有自由电子,因此钻石不仅硬度大,熔点极高,而且不导电。

当然有!难道你没听过“A diamond is forever.”吗 ?

其大致原理是:高温高压下,石墨粉融于金属熔剂中,碳原子向高压舱较冷的一端扩散,最终在籽晶上结晶生长。

钻石在自然界中产出极为稀少,分布很不均衡,主要产地集中在俄罗斯、南非、加拿大、博茨瓦纳、民主刚果、澳大利亚等国家。钻石矿分两种,一种是原生矿,直接在出产地开采原石;另一种是砂矿,像淘金一样筛采被雨水冲刷出来的钻石。

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电镜下的纳米孪晶立方氮化硼

1、骨灰钻石:纪念逝者至亲的全新方式

芝加哥的纪念品公司为了纪念逝者,他们把人类的骨灰变成了美丽的钻石。骨灰钻石的物理性质、化学成分、光学效果都是可以和天然钻石媲美的(但是将骨灰加工成钻石的费用也相当昂贵,0.3克拉约需2万元人民币。),与天然钻石不同的是,天然钻石的碳来至于地壳运动,而骨灰钻石的碳是来自于至亲。

我们都知道这样一个理论:物质的组成与结构决定物质的性质,性质决定用途,用途体现性质。那么钻石的物质结构是什么呢?

那如果收到了人造钻石做的订婚戒指,你会介意吗?

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媲美天然钻石,这些钻石可以“人造”

“宝石之王”钻石:硬度大熔点高

随着时间的流逝,有些东西会慢慢消失不见,照片会泛黄褪色,珍藏的纪念品会堆满灰尘,你会忘却当时的故事,那有没有那么一种永远,永远不改变?

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除了见证爱情的坚贞之外,研究这种各向同性的材料可以广泛应用于机械加工、地质勘探、石油和天然气开采等相关行业,是国民经济发展的重要基础性工具材料。目前可以预见的是超硬纳米孪晶立方氮化硼的硬度可以提高到天然金刚石的两倍以上同时抗氧化温度可以提高到1000℃以上。

出品:科普中国

制作:Dumuzhou(中国科学院半导体研究所)

骨灰钻石

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