碳是当然界中最奇异的元素之一，占有不同于此外元素的化学和物理性质。碳原子核中惟独6个质子，是也许造成繁杂化学键的元素中最轻的。全部已知的性命样式都以碳元素为原形，由于碳原子同时也许与至多四个原子造成化学键。在高压下，碳还也许与此外碳原子联结，造成不乱的晶格组织。若前提符合，碳原子还能造成一种极端坚韧、超等坚忍的组织，即咱们所熟知的钻石。
固然一目了然，钻石是全寰宇最坚忍的物资，但原本有六种材料比钻石更胜一筹。当然，钻石仍然是地球上最坚忍的当然材料之一，但最终难以与这六种物资比拟。
信誉奖
地球上有三种物资，虽不如钻石那末坚忍，但由于在多方面体现卓越，仍然值得一提。跟着纳米本领的进展，再加之在纳米法式上对当代材料的相识进一步深入，咱们现在意识到，评价这些极度材料的个性也许哄骗多种目标。
先从生物界提及。蜘蛛丝固然招人嫌恶，但原本是一种特别强韧的材料。其强度分量比远胜铝和铁等保守材料，并且格外浮滑、粘性也大。在全寰宇的全部蜘蛛中，达尔文吠蛛的蛛丝强度最大，高达凯夫拉尔合成纤维的10倍。并且这类蛛丝非常浮滑，只是一磅（克）的蛛丝便足以绕地球整整一周。
一种名叫碳化硅（正常以莫桑石的样式存在）的当然物资硬度仅比钻石略低一点。自年以来，碳化硅颗粒曾经实行了大范围临盆。硅和碳属于同宗元素，也许经过一种名叫烧结的处置方法，在高压、但相对低温的前提下造成这类极端坚忍的材料。
这些材料不单合用于各样对硬度请求高的场面，譬喻刹车片和聚散器、防弹衣、坦克装头等，还具备卓越的半导体功能，是以在电子元件的临盆中也表现注意要影响。
约20年前，科学家初次研发出了直径从2纳米至50纳米不等的纳米硅球。最惊人的是，这些纳米球是空腹的，不单也许自行组合成球状，还能彼此嵌套。这也是人类所知最坚忍的材料之一，硬度一样仅逊于钻石。
自组装在当然界中是一件极其雄壮的器械，但与合成材料比拟，生物材料在这方面要薄弱一些。这些自组装纳米粒子也许用来制造定制化材料，譬如功能更优异的水过滤器、效率更高的太阳能电池、速率更快的催化剂、也许新一代电子器件等等。不过，最志向的运用途景还要数依照哄骗者身段“量身打印”的防弹衣。
最驰名的高硬度材料
当然，上述材料的硬度都没法与钻石媲美。在地球上觉察或建造出的全部材估中，钻石的硬度名列第七。固然有些当然（但格外罕有）材料和合成材料的硬度曾经超过了钻石，但钻石的身分仍然难以撼动。
钻石也仍然是人类所知耐划性最强的材料。不单钛之类的金属比钻石出入甚远，就连硬度极高的陶瓷或碳化物在硬度或耐划性上也没法与钻石比拟。此外以硬度著称的晶体，譬如红宝石或蓝宝石，也都达不到钻石的程度。
不过，有六种材料曾经在硬度上击败了钻石。
第6种、纤锌矿型氮化硼
除了碳除外，此外很多原子或化合物也也许构成晶体，氮化硼即是此中之一。硼和氮在元素周期表上离别居于第五和第七位，两种元素组合在一同，也许造成各样各式的或者性，包罗非晶形、六方晶系（相同于石墨）、立方体（相同于钻石，不过组织强度稍差一些）、以及纤锌矿型。
此中，末了一种样式极其极度、但也极其坚忍。该物资在火山喷发进程中造成，到现在为止只觉察过极小量，是以咱们没法经过尝试测试其硬度。但最新的摹拟终归，它也许造成一种不同类别的晶格组织，属于四周体、而非面心立方体，硬度比钻石超过18%。
第5种、蓝丝黛尔石
图为两颗从波皮盖陨石坑中觉察的钻石。左边为纯钻石，右边为钻石与小量蓝丝黛尔石的混杂物。要是有不含任何杂质的蓝丝黛尔石，其强度和硬度都将超过纯钻石。
设想有一齐富含碳元素（因此含有石墨）的陨石穿过大气层疾冲而下、与地表相撞。你或者会觉得，高速坠落的陨石会变得从里到外灼热非常，但本质上，陨石惟独外层会变热，内部温度仍然较低。
但在与地表相撞的一瞬间，陨石内部所受的压力将超出地表上的任何反映进程，致使陨石中的石墨被收缩成另一种晶体组织。这类新组织并不是钻石那样的立方体，而是属于六方晶系，硬度可比钻石超过58%。固然蓝丝黛尔石在本质中时时含有大批杂质，致使硬度低于化石；但从理论上来讲，要是有一颗不含任何杂质、由纯石墨构成的陨石击中地表，造成的物资硬度将远超过地球上的全部钻石。
第4种、鼎力马
图为一根鼎力马绳子的近拍图。鼎力马是人类现在已知强度最大的纤维类材料。
从这边起头，咱们就离开了当然物资的周围。鼎力马是一种热塑性聚乙烯高聚物，分子量极高。咱们所知的大部份分子都惟独几千原子品质单元，但超高分子量聚乙烯的分子链极长，一个分子的分量就可完成千盈百万原子品质单元。
有着这样长的分子链，分子间彼此影响也会大大坚韧，造成的材料硬度当然推绝小觑。底细上，该材料的攻击强度在全部已知热塑性塑估中高居榜首，被称做全寰宇最强纤维，功能超过市道上全部锚绳和牵引绳，不单分量比水还轻，尚有防弹成绩，强度高达等量钢铁的15倍。
第3种、钯微合金玻璃
图为钯金属玻璃形变部位的微距相片，也许看出大局限的塑性形变。强调图中箭头所指处为产生塑性滑动时造成剪切错位的陈迹。钯微合金是将高强度和高韧性联结得最佳的已知材料。
全部物理材料都有两项主要性质：强度和韧性；强度唆使材料产生形变需求施加的力，韧性唆使材料粉碎或断裂需求施加的力。大大都陶瓷材料都是强度很大、韧性不够，夹得太紧或失慎跌落都很轻易落空；橡胶等弹性材料则适值相悖，固然不易粉碎，却格外轻易变形，硬度极低。
大大都玻璃材料都很脆弱，强度大、韧性低。即便是派热克斯或康宁玻璃等加强玻璃，做为材料自身的韧性也不敷高。但在年，钻研人员创造了一种新式微合金玻璃，包罗磷、硅、锗、银、钯五种元素，此中钯元素也许造成剪切带，让玻璃受力时也许产生塑性形变、而不会直接粉碎。这类材料集极高的强度与韧性于一身，不单轻便击败了各式钢铁，这份榜单上名列厥后的此外材料也都没法与之媲美。简而言之，这是寰宇上最坚忍的不含碳材料。
第2种、巴基纸
由碳纳米控制成的巴基纸也许反对直径50纳米以上的粒子经过。它具备特殊的物理、化学、电学和死板性质。固然也许折叠或剪断，但该材料强度极高。要是全面不含杂质，其强度可达平等体积钢铁的倍。图为扫描电子显微镜下的巴基纸。
自20世纪末以来，有一种名叫碳纳米管的材料连续享有“硬度超过钻石”的美誉。该物资属于六方晶系晶体，组织全面呈椭圆形，不乱性超过人类所知的任何组织。要是将大批碳纳米管组合成一个平面，就会获得一张薄薄的“纸”，名叫巴基纸。
除了巴基纸除外，尚有一种一样坚忍的组织叫巴基球，由60个碳原子联结在一同构成。巴基球也算是一种当然材料，也许在特定六合处境中造成。固然巴基球已在纳米周围获得了运用，但还未实行量化临盆，且自没法在宏观法式上大展本领，是以未被投入这份“最坚忍材料榜”。
比拟之下，构成巴基纸的每根纳米管直径惟独2至4纳米，但这类组织极其强韧，也许联结成面积较大的薄片状材料。其分量惟独钢铁的10%，但强度要超过成千盈百倍。此外，这类材料具备防火功能，热传导效率极高，电磁屏障能耐也极端优异，在材料科学、电子元件、军事、以至生物周围都有丰裕的运用前程。但巴基纸没法%由纳米管构成，是以没能位居榜首。
第1种、石墨烯
末了让咱们来看一种由碳原子构成的六方晶系晶格组织——石墨烯，其厚度惟独一个原子那末厚。薄片状石墨烯一旦被胜利制备出来，希望成为21世纪最具革新性的材料。石墨烯原本是碳纳米管最原形的组织因素，运用途景格外宽泛。该财产市值现在虽只珍稀百万美元，但瞻望短短几十年以内就可跻身十亿级别。
就平等厚度而言，石墨烯是现在已知强度最大的材料，具备无可比拟的导热性和导电性，并且透光度热诚%。年诺贝尔物理学奖便颁布给了安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃舍洛夫，赞美他们在石墨烯方面开展的尝试。石墨烯的贸易运用途景也是只增不减。到现在为止，石墨烯仍然是咱们已知最薄的材料。并且盖姆和诺沃舍洛夫从钻研到获奖只用了六年工夫，在物理届算是最快记录之一了。
对更坚忍、更耐划、更浮滑、更强韧的材料的追随将永无尽头。要是人类能进一步驱策可用材料的前沿，这些材料的运用途景也将持续增进。几代人以前，微电子、晶体管、以及安排单个分子的观念还只存在于科幻小说中。而现在，这些本领都早已走入通俗百姓家，成了咱们不足为奇的一部份。
跟着咱们尽力冲刺投入纳米期间，本文中先容的这些材料对咱们的糊口品质将显得愈发主要、也会变得愈发罕有。糊口在如许一个文化中真是一件乐事。跟着21世纪的宏图冉冉开展，这些新材料的庞大潜力也将渐渐成为实际。
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