周道奇

迄今为止，金刚石（即钻石）始终被人们视为珍宝，因为它不仅稀少，而且是最硬的天然物质，并具有完美的化学和光学性能。而具有一系列有趣物理性质和化学性质的碳，还具有一个鲜为人知的特性，俄罗斯研究人员研制的新型碳材料，其硬度超过金刚石。

为了描述固体的弹性，常利用3种最重要的指数——硬度、刚度和强度。它们可根据测量结果计算出来，除其它特性（热容量、磁化率等）以外，可确定物质或材料的主要物理性能和机械性能。

很快就可发现，硬度和强度并非同义词，这两个概念反映固体完全不同的性质。硬度是物体抗剪切、挤压或划痕的性能，该性能较复杂，它不仅取决于物体的强度及其可塑性，而且取决于测量方法。强度是固体在受拉力时抗断裂的能力。断裂发生在物质原子间耦合减弱的地方，在晶体中这地方常常是晶格缺陷。例如，普通铁的强度不超30千克／毫米2，而铁“晶须”——没有缺陷的单晶体，其强度高达1000千克／毫米2。顺便说一下，刚度是物体或结构抗形变产生的能力。在检测材料或零件的刚度时，需查明容许形变的范围，在这范围内结构将能正常工作而不会被破坏。实际上，硬度测定很粗略，但是利用莫氏硬度表非常方便。材料硬度值常划分为10个莫氏等级，金刚石在该表中具有最大值，金刚石是迄今已知材料中公认最硬的物质。

其实，金刚石是仅仅由碳组成的天然聚合物。它的原子构成四面体——具有相同三角形界面锥体的晶格，金刚石硬度之所以高，全在于晶格这样的排列。三角形是一种稳定结构，它可以变形，但只能断裂，即原子之间耦合发生断裂，而在金刚石中的原子间耦合是非常强的。但是当金刚石晶格中出现缺陷之后，也会使天然金刚石晶体变脆。缺陷增多会使金刚石强度降低。有意思的是，由晶粒组成的人造金刚石比天然金刚石强度更高。令人感兴趣的是，晶格中原子间耦合最强的不是金刚石，而是石墨，众所周知，石墨是一种柔软和易塑物质。晶格中原子排列越接近，则原子间的相互作用就越强。金刚石四面体晶格中原子间距是0.156纳米（1纳米＝10-9米）。石墨由每条棱边为0.137纳米的平面六边形网格构成，但是这些原子平面彼此间距大于0.3纳米，平面之间的耦合非常弱，它们很容易破裂，石墨各层平面很容易发生相对滑移，因此石墨具有很强的可塑性。

35年前发明的人造金刚石合成工艺已成为现代材料学最重要成就之一。人造金刚石被广泛用于硬质材料加工和采矿业，现在全世界人造金刚石总产量超过了天然金刚石产量。但是寻求超硬度和超强度合成金刚石的物质，并没有停止过。氮化硼在硬度上已成为仅次于金刚石的材料，它的立方体晶体只有在高温和高压条件下才能生长，而在自然界中是见不到的。

碳纤维是现代工艺制取高强度材料的另一例子。考虑到石墨网格强度特别高，理应把它们应用到圆筒上，从而得到了“纳米圆筒”，其长度超过直径1000倍。科学家们正在大力研究石墨圆筒，使生产高强度“圆筒”材料的新工艺进一步完善。

11年前（即1985年）曾因得到新的碳化合物——富勒球而在科学界引起轰动。它的空心分子，即富勒分子具有球形，可含有60到240个乃至更多的碳原子。1990年9月，德国科学家克拉契黩和美国科学家霍夫曼在英国《自然》杂志上发表文章，宣布他们用简单方法合成并分离出大量纯净的碳60分子。目前，国际上许多研究机构都在抓紧研究碳60，并已发现碳60的许多有趣特性。普通碳60的电导率极低，但是把某些碱金属掺入碳60结晶中之后，在一定温度下会呈超导状态。1991年4月，美国贝尔实验室首先发现了碳60超导特性，在科学界引起轰动。1991年11月，日本电气公司专家把铯铷合金掺入碳60，获得了临界温度为33K的碳60超导体，创造了碳60超导临界温度最高纪录。现在看来，制取碳60的方法十分简单（现已查明，蜡烛烟黑中几乎1／4由碳60组成），现在用这种方法已在世界各国众多实验室里生产碳60。

碳60富勒分子表面看上去像一个足球，它由20个六边形和12个正五边形组成，为了卷缩成一个球形，每个石墨平面不得不在部分晶格中失去一个原子。分子中的原子间距仍然像石墨中一样接近，因此这样的“小球”应该是“天衣无缝”的。美国物理学家R.S.鲁奥福和A.L鲁奥福4年前所作的计算表明，富勒分子真的应比金刚石更硬。