金剛石是自然界最硬的物質(zhì)，這主要源于其內(nèi)部碳-碳共價(jià)鍵形成的極高的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。正是每一個(gè)碳原子和相鄰四個(gè)碳原子間SP³雜化共價(jià)鍵的結(jié)合，使金剛石素來(lái)享譽(yù)“硬度之王”、“寶石之王”的美稱(chēng)。當(dāng)然，除了高硬度，金剛石還具備已知最高熱導(dǎo)率、極高熔點(diǎn)、極高可見(jiàn)光折射率等優(yōu)異性質(zhì)。這也使得金剛石在機(jī)械切割、研磨、鉆探及其他尖端工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。 

但“黃金無(wú)足色，白璧有微瑕”,作為一種晶體材料，金剛石的各向異性導(dǎo)致其在不同晶向的性質(zhì)差異巨大。特別是其最易發(fā)生斷裂和破壞的{111}解理面，成為金剛石最大的“弱點(diǎn)”。其實(shí)，除了原子排列高度有序的晶體材料，還有一類(lèi)材料—非晶態(tài)材料（如玻璃），由于原子排列的高度無(wú)序, 使其具有各方向性質(zhì)都很均勻（即各向同性）的特點(diǎn)。當(dāng)“金剛石”和“玻璃”這兩個(gè)概念相遇，能否將產(chǎn)生一種各方向均極強(qiáng)的各向同性的“玻璃態(tài)金剛石”呢？近幾十年來(lái)，盡管付出大量努力，科學(xué)家對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)原子間化學(xué)鍵和金剛石一樣，內(nèi)部原子排列卻像玻璃般無(wú)序的這個(gè)難題，仍束手無(wú)策。

近期，北京高壓科學(xué)研究中心的曾徵丹研究員及其團(tuán)隊(duì)利用高壓技術(shù)結(jié)合激光原位加熱，在前人沒(méi)有探索過(guò)的溫度和壓力條件下（50萬(wàn)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，約1500 攝氏度）首次合成出完全非晶態(tài)的塊狀金剛石。這種新材料確認(rèn)是由純sp³碳-碳鍵構(gòu)成，同時(shí)也擁有一顆真正的“玻璃心”—內(nèi)部原子被證明是高度無(wú)序的排列。因此，它具備金剛石和玻璃兩者的優(yōu)點(diǎn)：碳原子間都以sp³鍵結(jié)合形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使材料表現(xiàn)出極高的強(qiáng)度（體彈性模量接近傳統(tǒng)金剛石）；性質(zhì)均勻各向同性，使其不再存在晶體解理面。從而有可能成為已知最強(qiáng)的玻璃態(tài)材料。

在過(guò)去長(zhǎng)達(dá)三十年的時(shí)間里，已有很多嘗試合成非晶態(tài)金剛石的研究，其主要途徑是通過(guò)氣相沉積技術(shù)來(lái)試圖合成具有相對(duì)高含量sp³鍵的非晶態(tài)碳薄膜，這種薄膜材料被稱(chēng)為類(lèi)金剛石碳材料（diamond like carbon）。然而，完全由sp³鍵結(jié)合而形成的“塊體非晶態(tài)金剛石”只存在于理論計(jì)算中。北京高壓科學(xué)研究中心的這一研究，首次在高溫高壓下合成出這種原以為不可能存在的新材料，使得“玻璃態(tài)”金剛石從夢(mèng)想變成現(xiàn)實(shí)，改變了人們對(duì)于金剛石的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)；并且在卸掉壓力回到常溫常壓條件時(shí)仍然保持穩(wěn)定的非晶態(tài)金剛石材料，也為進(jìn)一步探索這一材料的各種性質(zhì)和開(kāi)發(fā)其潛在的應(yīng)用成為可能。

也許，有一天，“鉆石恒久遠(yuǎn)，一顆永流傳”的鉆戒會(huì)有兩個(gè)選項(xiàng)：“請(qǐng)問(wèn)先生，您要選擇晶態(tài)的還是玻璃態(tài)的？”

這一研究成果最近在《自然-通訊》上發(fā)表（Zhidan Zeng, Liuxiang Yang, Qiaoshi Zeng, Hongbo Lou, Hongwei Sheng, J. G. Wen, Dean J. Miller, Y. Meng, Wenge Yang, W. L. Mao, and Ho-Kwang Mao, Synthesis of quenchable amorphous diamond. Nature Communications，8: 322 DOI: 10.1038/s41467-017-00395-w (2017)）。

左圖：金剛石及其內(nèi)部的原子結(jié)構(gòu)；右圖：“玻璃心”的非晶態(tài)金剛石的原子結(jié)構(gòu)，玻璃球代表非晶態(tài)金剛石像玻璃一樣各向同性，可以加工成完美的球狀。