▲盤他鑽的幾何結構。黑白小球代表碳原子，每個碳原子都分別與鄰近的四個或三個碳原子連在一起。
近日，日本筑波大學的研究人員用計算機演算法把碳打造成一種比鑽石還要硬的材料，並給這種新材料起名叫“盤他鑽（pentadiamond）”，而且相信它或許可以在複雜的切割工藝中代替現有的合成鑽。
鑽石是由密集排列的碳原子組成的，是人們公認的最硬的材料。然而碳也可以形成很多其他的穩定結構，我們稱之為同素異形體。比如鉛芯中的石墨、碳奈米管一類的奈米材料。
同素異形體的機械效能，包括硬度等，大部分是由其內部碳原子的連線方式決定的。拿傳統的鑽石來說，其內部的每一個碳原子會和鄰近的四個碳原子相連，組成共價鍵。化學家將這種連線方式稱為sp3雜化。而在碳奈米管或其他一些材料中，每一個碳原子會和鄰近的三個碳原子組成共價鍵，這種組合方式稱為sp2雜化。
此次，筑波大學的研究人員用這兩種雜化的混合方式來排列碳原子。論文的第一作者藤井安丸說：“在sp2和sp3雜化混合的同素異形體中，由於內部連線和排序的增多，原子的形態多樣性更好了。”
論文另一位作者丘田進教授認為，這項研究展示了設計科學的力量。為了計算出盤他鑽最穩定的原子結構和硬度，研究團隊運用了一種叫作“密度泛函理論（DFT）”的演算法。DFT是化學和固體物理學中用來預測材料結構和屬性的方法。通常，人們無法把握一個材料中所有電子的量子狀態，尤其是它們的相互作用。而DFT可以採用近似的方法，算出原子周圍空間內最終的電子密度。
這個方法簡化了計算過程，也適用於電腦運算，測出的結果也相當精確。科學家用測量硬度的楊氏模量測出的盤他鑽硬度為1700GPa，而傳統鑽石的硬度為1200GPa。論文作者之一、筑波大學丸山美奈教授介紹，雖然盤他鑽的硬度比傳統鑽石高，但它的密度卻比傳統鑽石低，和石墨差不多。
盤他鑽除了可用於切割、鑽孔工藝之外，還有可能取代現行金剛石壓砧，用於重塑行星內部高壓狀態的科學研究中。
作者：江澤珍/編譯
編輯：許琦敏
責任編輯：任荃
圖片來源：PHYSICAL REVIEW LETTERS
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