长期以来,钻石普遍被认为是硬度冠军,广泛被用于从工业钻头到装饰珠宝。立方氮化硼,一种合成材料,排在第二位,直到科学家发现了氮化硼的另一种晶体结构,并观察到它在高应力下独特的原子键重排,使得它的硬度超过了钻石。
具有相同化学成分的不同晶体结构,称为同素异形体,这在自然界中很常见,晶体中不同的原子键方向和对称面导致了不同的物理性质。研究人员过去曾对氮化硼的纤锌矿结构(w-BN,三维六边形重复排列)进行过研究,其性能不如立方氮化硼。但是使用一个标准硬度测试——压痕实验,用一个小的锥体压入材料并测量所需的力,科学家发现了w-BN实际上硬度高于钻石达到114Gpa(1650万磅/平方英寸),比钻石高18%,钻石的硬度值是97Gpa。
在压痕过程中,压头作用下的较大正压压力可以使纤锌矿型氮化硼的一些键会翻转约90度,迫使w-BN形成较强的结构,从而显著提高其强度。在键翻转后,w-BN的硬度值增加了78%,纤锌矿型氮化硼在自然条件下可由火山爆发时产生的高热和高压下产生。
但纤锌矿型氮化硼仍旧不属于最硬材料,六方金刚石(lonsdaelite),一种钻石的同素异形体,与w-BN有着相似的结构。在硬度压痕时也会发生同样的键翻转过程,全碳结构的硬度为152 GPa,优于金刚石和w-BN,比普通金刚石高58%。六方金刚石是一种稀有但自然可能存在的矿物,比如巨大陨石撞击地球表面时也能产生合成六方金刚石形成所需的条件,因此也有可能自然产生。
上面几种都是可能在自然条件下产生的材料,现代科技合成的人工材料如石墨烯和碳炔的硬度都被证明高于上述几种。