說硬就硬，說軟就軟，我在說鑽石

知識 04-22

世界上最難掰彎的東西是什麼？

不算上鋼鐵直男的話，那就是鑽石了。

圖片來源：Jeweller Magazine

不過最近，就有一群來自香港和新加坡的科學家們在《科學》雜誌上宣布，他們「掰」彎了鑽石！

想把鑽石掰彎？可不簡單

在說鑽石之前，我們可以先想像一下冰糖。你能掰彎冰糖嗎？首先，冰糖的硬度就讓你無從下手。那，假設是一根棒狀的冰糖，是不是很容易就能被掰彎呢？答案仍然是否定的，你只要輕輕一掰，它立刻就斷成兩截了。這種現象的原因在於，冰糖的不僅硬，也特別脆。相比於被掰彎，它更容易破碎。

在自然界里，大體來說，越硬的材料也越脆。鑽石，作為自然界中已知最硬的材料，當然也非常的脆。因此，我們可以很容易地敲碎鑽石，但是想要掰彎它，確實難上加難。

不過，以上這些都是宏觀尺度的規律，當材料的尺度降到納米級別，往往會展現出非同凡響的物理性質。

Blingbling的鑽石們，圖片來源: Gia.edu

科學家為何能掰彎鑽石？

選取的鑽石很特別

科學家們掰彎的，可不是鑲嵌在戒指上的那種鑽石，而是一根小小的納米鑽石針。這些納米鑽石針每一根的長度大約是500到1000納米——頭髮直徑的百分之一那麼長。

上方的「立方錐」是一種名為「納米壓痕」的設備。下方一片針尖狀的突起，就是納米鑽石針。圖片來源：參考文獻[1]

納米鑽石針的彈性相當高

選取這種細小的納米鑽石針，不是沒有理由的：這些納米鑽石針具有相當高的彈性，這一點對於掰彎鑽石至關重要。

我們在生活中總是提到「彈性」這個詞，比如，那個皮球「彈性」很好，甚至這個蝦很「彈」。但在材料科學中，彈性的精確定義是：當外力取消後，材料變形能完全恢復，這樣的性質才稱為彈性。什麼意思呢？就是這些鑽石針被壓彎了之後，還會再直起來。刊登在《科學》的研究中，單根納米針有9%的變形後，仍能恢復到原來的形狀。這一數值已經接近了計算模擬的理論極限。

被「納米壓痕」掰彎的納米鑽石針。

圖片來源：NTU Singapore, MIT, City University of Hong Kong, Institute for Basic Science, Korea, and the Institute of Science and Technology, Korea.

為什麼納米針的彈性那麼高？

首先，納米針是單晶。根據原子排列的規整度，可將材料分成單晶，多晶和非晶。非晶就是原子全然無序地「堆」在一起；單晶是原子整整齊齊地排列在一起；多晶，介於二者之間，可以理解成很多小塊單晶拼湊在一起，有比較多的連接處，也比較脆弱。在納米鑽石針中，碳原子的排列是近似完美的單晶，因此具有非常好的力學強度。

此外，納米鑽石針還有光滑的表面。很多材料的斷裂或者被破壞，都是因為表面存在或多或少的缺陷。大體來講，可以把表面的缺陷想像成包裝袋的缺口，在這些缺口處用力，很容易就能把包裝撕開。因為我們施加的力量可以在缺口處聚集，形成所謂的「應力集中」效應，所以能很容易地破壞材料。而納米鑽石針因為表面極其光滑，幾乎沒有缺陷，自然也就避免了這種情況。

使用納米壓痕設備測試納米鑽石針的本領（綠色的是立方錐，紅色的是納米鑽石針）。A系列圖表示納米壓痕的立方錐接觸納米針，並對後者施加力量。在一定變形範圍內，撤掉立方錐的外力，納米針可以恢復原狀。B系列表示如果施加力量過大，納米針也會折斷。圖片來源：參考文獻[1]

掰彎鑽石三部曲

把大象放冰箱里，分三步走。同樣，為了得到納米鑽石針，並「掰」彎它，我們需要三個步驟。

第一步，做一層鑽石膜

首先，你需要一個密閉空間，往裡面通入甲烷氣體。然後，對這個密閉空間施加一些極端條件，比如說高溫或高壓，將甲烷分子破壞掉。甲烷分子的結構是一個碳原子連接四個氫原子。破壞掉這個結構也就是把碳原子和氫原子掰開，讓它們四散奔逃。氫原子變作氣體，就跑掉了；碳原子，會與密閉空間底部的基體發生化學作用，逐漸沉積下。

這跟鑽石有什麼關係呢？鑽石就是一大堆碳原子，以特定的姿勢方式緊密排列在一起組成的。因此，只要可以足夠精確地控制這些沉積碳原子的排列方式，就能得到一層很薄的鑽石膜了。

在納米科技中，這種神奇的方法，學名叫做「化學氣相沉積」。大體來講，這種方法的本質是「用氣體變固體」[2]。Anyway，我們完成第一步！

第二步，在鑽石膜上「掃射」出納米鑽石針

這一過程，可以想像成一個雕塑家在精心雕刻他的作品。只不過，用的不是鑿子，而是能量更大的等離子體。離子就是原子失去或得到電子而形成的帶電粒子；等離子體，就是離子和電子的混合物。通過特定的手段，可以讓這些等離子體具有極大的能量，如同一簇密集的子彈，可以「打掉」鑽石膜上的碳原子。一陣「掃射」之後，就能得到一大片納米級的鑽石針[2]。

生活中我們也能見到等離子體——諸如閃電、極光等自然現象都有等離子體參與其中。

圖片下方一片針尖狀的突起，就是納米鑽石針。圖片上方的「立方錐」是一種名為「納米壓痕」的設備。圖片來源：參考文獻[1]

第三步，掰彎鑽石！

得到這些納米鑽石針之後，就可以掰彎它們了。

這裡所要用的設備叫做「納米壓痕」。納米壓痕設備的的頂端是一個立方錐。這個立方錐的尺寸也是納米級別，材質同樣也是鑽石。在測試過程中，我們可以控制這個立方錐的移動，讓立方錐與納米鑽石針接觸，並對納米針施加壓力，來一點一點地掰彎它們測試它們的彈性。科學家們用一台放大倍數極高的顯微鏡觀察，記錄了這個過程。