超硬材料的用途非常廣泛，無論是鉆探石油和修公路用的鉆頭，還是精密儀器和手表表面的抗摩涂層，都需要使用超硬材料。加州大學(xué)洛杉磯分校科學(xué)家開發(fā)出一種制造超硬材料的新方法，他們制造的超硬材料具有極強的耐摩性和抗裂性。他們的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)刊登在4月20日出版的《科學(xué)雜志》上。 
    這項研究的合著者查德·B·凱恩是加州大學(xué)洛杉磯分校無機化學(xué)、材料科學(xué)和工程學(xué)教授。他認(rèn)為，金剛石之所以是世界上最硬的材料，是因為金剛石的碳原子間具有極短的共價鍵。實事上，世界上所用的大多數(shù)金剛石都是人工合成的，而且價格非常昂貴。金剛石粉未可用于制造石油鉆頭、筑路機和挖山洞用的挖穴機。然而，金剛石不能用于切割鋼鐵，因為切割鋼鐵將毀壞金剛石刀片。凱恩說，立方結(jié)構(gòu)的氮化硼是金剛石的替代品，可以用來用來切割鋼鐵，但它是在非常高的溫度和壓力條件上合成的，其價格比金剛石還要昂貴。 
    超硬材料具有“超級不可壓縮性”，意思是它們具有抵抗外形變化的抗性，這正是產(chǎn)生硬度的必要條件。制造超硬材料的方法有兩種：一種是通過使用碳元素并將其與硼或氮合成在一起來仿制金剛石，從而保持較短的共價鍵；另一種是尋找具有“不可壓縮性”的金屬并設(shè)法使其堅硬。凱恩和他的同事正在發(fā)展第二種方法。凱恩說：“我們的設(shè)想是合成一種‘不可壓縮的’金屬，這種金屬碰巧是低硬度的，但它具有可以使其變硬的短共價鍵。”凱恩是加州大學(xué)洛杉磯分校加州納米系統(tǒng)研究院成員，該研究院鼓勵通過跨學(xué)科合作來解決納米科學(xué)和納米技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)問題。 
    鋨是一種相對柔軟的金屬元素，是目前所知道的最具“不可壓縮性”的金屬，2005年，凱恩的研究團隊把鋨元素與短共價鍵原子合成在一起，制造出一種幾乎與金剛石同樣“不可壓縮的”材料。它是如此堅硬，甚至可以在硬度達(dá)9級的藍(lán)寶石上劃出痕跡（硬度的劃分級別為1－10級）。“我們發(fā)現(xiàn)，如果我們把硼和鋨結(jié)合在一起，我們只能使鋨金屬中鋨原子的分隔距離擴大10%，這已經(jīng)非常不錯了；如果你想盡可能地縮小原子之間的分隔距離，就需要尋找更好的過渡金屬。”凱恩說：“于是我們仔細(xì)搜索了所有過渡金屬以確認(rèn)是否有比鋨更好的過渡金屬，從而使膨脹系數(shù)少于10%。我們發(fā)現(xiàn)只有錸具有這種潛力，因此，我們制造出二硼化錸。” 
    錸是一種高密度、低硬度的金屬，它在元素周期表中剛好排在鋨元素的后面。“我們合成出了短共價鍵，我們只能使錸金屬中錸原子的分隔距離擴大5%，從而使其既具有‘不可壓縮性’又非常堅硬。錸金屬中的錸原子之間的距離僅膨脹了5%——這是這篇科學(xué)論文的關(guān)鍵。在某個方向上，二硼化錸的‘不可壓縮性’與金剛石相同，在另一個方向上，二硼化錸的‘可壓縮性’僅比金剛石稍高。”在低作用力下，二硼化錸的硬度與立方結(jié)構(gòu)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，二硼化錸的硬度僅比氮化硼稍低。凱恩稱：“我們的材料非常堅硬，足以劃破金剛石，比二硼化鋨要硬得多。” 
    而且其它超硬材料，包括金剛石和立方結(jié)構(gòu)的氮化硼都是在昂貴的高壓條件下制造出來的。凱恩說，“我們的材料只需要通過一種簡單的程序就可以制造出來，不需要使用壓力。”在談到合作時，凱恩說，“我之所以來到加州大學(xué)洛杉磯分校，之所以喜歡這個地方，是因為無論你做什么，比如，以我個人來說，無論你何時想要制造一種新材料，你經(jīng)常需要你自己不具有的設(shè)備和技能。而加州大學(xué)洛杉磯分校擁有材料制造領(lǐng)域的專家和相應(yīng)的設(shè)備，每次我有疑問時，所有人都樂于幫助我進行實驗并積極地與我合作。”凱恩認(rèn)為，盡管新超硬材料有巨大的潛力，但它們還不可能在短時間內(nèi)取代金剛石。