科学家设计出超硬新材料二硼化铼

超硬材料的用途非常广泛，无论是钻探石油和修公路用的钻头，还是精密仪器和手表表面的抗摩涂层，都需要使用超硬材料。加州大学洛杉矶分校科学家开发出一种制造超硬材料的新方法，他们制造的超硬材料具有极强的耐摩性和抗裂性。他们的发现已经刊登在4月20日出版的《科学杂志》上。 
    这项研究的合著者查德·B·凯恩是加州大学洛杉矶分校无机化学、材料科学和工程学教授。他认为，金刚石之所以是世界上最硬的材料，是因为金刚石的碳原子间具有极短的共价键。实事上，世界上所用的大多数金刚石都是人工合成的，而且价格非常昂贵。金刚石粉未可用于制造石油钻头、筑路机和挖山洞用的挖穴机。然而，金刚石不能用于切割钢铁，因为切割钢铁将毁坏金刚石刀片。凯恩说，立方结构的氮化硼是金刚石的替代品，可以用来用来切割钢铁，但它是在非常高的温度和压力条件上合成的，其价格比金刚石还要昂贵。 
    超硬材料具有“超级不可压缩性”，意思是它们具有抵抗外形变化的抗性，这正是产生硬度的必要条件。制造超硬材料的方法有两种：一种是通过使用碳元素并将其与硼或氮合成在一起来仿制金刚石，从而保持较短的共价键；另一种是寻找具有“不可压缩性”的金属并设法使其坚硬。凯恩和他的同事正在发展第二种方法。凯恩说：“我们的设想是合成一种‘不可压缩的’金属，这种金属碰巧是低硬度的，但它具有可以使其变硬的短共价键。”凯恩是加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究院成员，该研究院鼓励通过跨学科合作来解决纳米科学和纳米技术领域的相关问题。 
    锇是一种相对柔软的金属元素，是目前所知道的最具“不可压缩性”的金属，2005年，凯恩的研究团队把锇元素与短共价键原子合成在一起，制造出一种几乎与金刚石同样“不可压缩的”材料。它是如此坚硬，甚至可以在硬度达9级的蓝宝石上划出痕迹（硬度的划分级别为1－10级）。“我们发现，如果我们把硼和锇结合在一起，我们只能使锇金属中锇原子的分隔距离扩大10%，这已经非常不错了；如果你想尽可能地缩小原子之间的分隔距离，就需要寻找更好的过渡金属。”凯恩说：“于是我们仔细搜索了所有过渡金属以确认是否有比锇更好的过渡金属，从而使膨胀系数少于10%。我们发现只有铼具有这种潜力，因此，我们制造出二硼化铼。” 
    铼是一种高密度、低硬度的金属，它在元素周期表中刚好排在锇元素的后面。“我们合成出了短共价键，我们只能使铼金属中铼原子的分隔距离扩大5%，从而使其既具有‘不可压缩性’又非常坚硬。铼金属中的铼原子之间的距离仅膨胀了5%——这是这篇科学论文的关键。在某个方向上，二硼化铼的‘不可压缩性’与金刚石相同，在另一个方向上，二硼化铼的‘可压缩性’仅比金刚石稍高。”在低作用力下，二硼化铼的硬度与立方结构的氮化硼相等，而氮化硼是第二硬的材料。在更高的作用力下，二硼化铼的硬度仅比氮化硼稍低。凯恩称：“我们的材料非常坚硬，足以划破金刚石，比二硼化锇要硬得多。” 
    而且其它超硬材料，包括金刚石和立方结构的氮化硼都是在昂贵的高压条件下制造出来的。凯恩说，“我们的材料只需要通过一种简单的程序就可以制造出来，不需要使用压力。”在谈到合作时，凯恩说，“我之所以来到加州大学洛杉矶分校，之所以喜欢这个地方，是因为无论你做什么，比如，以我个人来说，无论你何时想要制造一种新材料，你经常需要你自己不具有的设备和技能。而加州大学洛杉矶分校拥有材料制造领域的专家和相应的设备，每次我有疑问时，所有人都乐于帮助我进行实验并积极地与我合作。”凯恩认为，尽管新超硬材料有巨大的潜力，但它们还不可能在短时间内取代金刚石。