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为什么金刚石这么硬?

为什么金刚石是自然界最硬的物质?

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小侯飞氘,御氘术九级
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金刚石硬,跟 C-C 键能有关系,但并不是特别大。

首先,键能这个概念一般用在化学领域,在材料科学中用的比较少。因为:

  • 材料中的化学键通常是相互影响的,你没法在不影响其他键的情况下,破坏掉其中的某个键。
  • 不同结构中,每个原子的成键数量不一样,单纯的比较某个键的键能意义不是特别大。

因此,在材料科学中,一般用内聚能(cohesive energy)来表征原子之间的结合强度:

equation?tex=%E5%86%85%E8%81%9A%E8%83%BD%3D%5Cfrac%7Bn%E4%B8%AA%E5%AD%A4%E7%AB%8B%E5%8E%9F%E5%AD%90%E7%9A%84%E8%83%BD%E9%87%8F n%E4%B8%AA%E5%8E%9F%E5%AD%90%E8%81%9A%E9%9B%86%E6%88%90%E6%99%B6%E4%BD%93%E6%97%B6%E7%9A%84%E8%83%BD%E9%87%8F%7D%7Bn%7D

它大致可理解为晶体中单个原子和其周围原子化学键键能的总和。

内聚能越强,原子之间的结合越紧密,要融化材料也就更困难。因此,许多材料的熔点都大致与其内聚能成正比,这个规律也称 Lindemann's criterion:

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不同金属材料内聚能(横轴)与熔点(纵轴)的关系

题中提到:

资料显示,O-Si 键能大于 C-C,理论上 SiO2 是不是比金刚石更硬的物质

我查了一下,金刚石的内聚能为 7.346 eV/atom,而 SiO2 的内聚能为 4.11 eV/atom,大约是金刚石的一半。对应的,金刚石熔点大约是 3800K,也差不多是 SiO2 熔点 1980K 的两倍。

所以,从内聚能角度来看,金刚石的硬度高于 SiO2 是很没问题的。


但是,光从内聚能来判断材料的硬度,是非常不合理的(光速打自己的脸......)。

举例来说:同样由碳元素构成,石墨的内聚能为 7.374 eV/atom,甚至比金刚石高一点点,但石墨却非常软,用指甲都能划出划痕。

如果一种材料硬度要高,那么它在各个方向上都得硬,不能有短板。但石墨是一种层状结构,虽然在二维平面上的强度很高,但在垂直方向上却很脆弱。所以石墨才特别软。而金刚石在三个维度上的排列都比较紧密,才能表现出较高的硬度。

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金刚石(左)与石墨(右)晶体结构对比。

此外,硬度这个量,虽然也受材料本身属性的影响,但它对微观组织形貌更加敏感。光知道材料组分就想要确定硬度是不太可能的,甚至于连定性分析都做不到。

很多人可能都有这样的体验:一根铁丝本来很软很容易被弯折,但如果你反复弯折它的话,铁丝会越来越硬。这个现象称为“加工硬化”。

在加工硬化过程中,铁丝的化学组分、原子排列结构都没有发生改变,但硬度却增加了。这是因为在加工变形过程中,铁丝内部形成了大量的缺陷,这些缺陷不利于铁丝进一步发生变形,因此材料就变硬了。以我个人的经验来看,对材料硬度影响最大的,是一种叫做位错的缺陷:

在极度寒冷的环境中,铁制品会不会真的像电影中那样和玻璃一样脆?

与上面这个回答中的钢材一样,金刚石也是在低温下硬而脆,高温下就比较软(又称低温脆性)。有研究指出(doi.org/10.1080/0141861),金刚石中位错的运动需要产生一对扭折,这一过程的激活能特别高(是金刚石禁带宽度的两倍,大约 11 eV),导致位错滑移特别困难,很可能是导致金刚石硬度大的主要原因


最后,前面有位答主提到:

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这一点是不正确的。SiO2 具有很多种结构,但这位答主提到的“空间网状”结构,其实和金刚石一样都是面心立方结构,同属

群,只是组成结构的基元不同而已:

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金刚石(左)与面心 SiO2(右)的晶体结构对比

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