天然鉆石的莫氏硬度達到了10級。

超硬材料可以用于切割、鉆孔和拋光等工藝。此外，超硬材料還能用于制造保護昂貴設備的耐刮涂層。近日，科學家們?yōu)橹圃斐膊牧洗蜷_了一扇新的大門。sciencedaily.com網(wǎng)站9月9日報道，研究人員利用計算技術鑒定了43種未知碳，這些碳的硬度可能接近或略高于鉆石的硬度。相關研究成果發(fā)表于《npj計算材料學》雜志。這項工作將計算預測與機器學習結合起來用于晶體結構研究。但是，這項工作目前還只是理論研究。

美國紐約州立大學布法羅分校藝術與科學學院化學系教授Eva Zurek和杜克大學教授Stefano Curtarolo博士共同領導了新材料的預測研究。Zurek教授說：“目前，鉆石是市面上最堅硬的材料，但它們太過昂貴。有同事在實驗室中做高壓實驗時，設備上的鉆石破裂了。他們真是欲哭無淚。因此，我們希望找到鉆石的替代材料。新材料除了可能更硬、更便宜外，還可能具有鉆石所不具備的有用特性。例如，它們與熱、電的相互作用可能有所不同?！?/p>

硬度與材料抵抗形變的能力有關。Zurek解釋說：“如果你用硬物刺超硬材料，超硬材料不會出現(xiàn)洞，或者形成的洞會非常小?！笨茖W家們定義，如果某種物質(zhì)的硬度值超過40千兆帕，那么它就可以被稱為超硬物質(zhì)。Zurek等研究的43種新型碳預計都可以達到這一閾值。其中有3種碳結構的硬度甚至略微超過了鉆石的維氏硬度。Zurek提醒說，雖然計算結果非常令人滿意，但預測中的部分不確定性不可忽視。

研究人員發(fā)現(xiàn)，硬碳結構的晶格中往往含有鉆石和六方碳的結構片段。除分析了43種新碳結構，研究人員還預測出其他團隊發(fā)現(xiàn)的某些碳結構也具備超硬特性。新預測技術除可用于碳材料外，還可以用于識別其他類型的超硬材料。Zurek說：“已知超硬材料非常有限。據(jù)我們所知，強鍵是構成超硬材料的重要條件。碳碳鍵非常強，這就是我們選擇碳作為研究對象的原因。其他可能構成超硬材料的元素還包括氮和硼?！?/p>

在項目進行過程中，研究人員使用了Zurek實驗室開發(fā)的一種用于晶體結構預測的開源進化算法XtalOpt。它可以生成碳的隨機晶體結構。隨后，研究人員使用機器學習模型對碳的強度進行了預測，并挑選出最具潛力的穩(wěn)定結果作為“父結構”，進而衍射出其他新結構。為了完善機器學習模型，研究人員使用了Curtarolo教授團隊主持的自動流（AFLOW）數(shù)據(jù)庫。Curtarolo教授說：“材料篩選需要花費大量時間。我們使用AFLOW等顯著加快了這個過程。”

杜克大學機械工程與材料科學助理研究教授、論文作者Cormac Toher博士總結說：“現(xiàn)在，材料學家們可以用我們開發(fā)的計算機技術預測出最好的材料，然后通過實驗進行制造了?！?/p>

科界原創(chuàng)

編譯：雷鑫宇

審稿：alone