钻石的奥秘：地球上最坚硬的物质及其广泛应用

一、钻石（金刚石：地球上天然存在中最坚硬的物质）

钻石的“Diamond”一词源自希腊语“Adamas”，其含义为坚硬且不可驯服。钻石被称作“宝石之王”，并且是人们最为喜爱的宝石之一。同时，钻石也就是金刚石。

钻石是被琢磨过的金刚石。它在地球深部处于高压、高温的条件下形成，是由碳（C）元素构成且具有立方结构的天然无色晶体。金刚石是目前在地球上所发现的众多天然存在物质中最坚硬的。人工合成金刚石的方法主要有高温高压法和化学气相沉积法。金刚石的用途极为广泛，例如用于工艺品，工业中的切割工具，同时它也是贵重宝石。

它的晶体形态多呈八面体、菱形十二面体、四面体及它们的矩形。

纯净的钻石呈现无色透明的状态。因为混入了微量元素，所以它会呈现出不同的颜色。它具有强金刚光泽。折光率为 2.417，色散处于中等水平，为 0.044。它是均质体。热导率是 0.35 卡/厘米/秒/度。用热导仪进行测试时，反应最为灵敏。它的硬度是 10，是目前已知最硬的矿物，其绝对硬度是石英的 1000 倍，是刚玉的 150 倍。钻石尤其害怕重击，遭受重击后会顺着其解理破碎。钻石的化学性质较为稳定。在常温状态下，它不容易被酸溶解。在常温状态下，它也不容易被碱溶解。酸碱在常温下都不会对钻石产生作用。

1955 年日本首先研制成功合成钻石，不过未进行批量生产。合成钻石的费用比天然钻石高，所以在市场上合成钻石较为少见。

全球钻石的主要产地包含澳大利亚、博茨瓦纳、加拿大、津巴布韦、纳米比亚、南非、巴西以及西伯利亚。世界主要的钻石切磨中心分别有：比利时的安特卫普，以色列的特拉维夫，美国的纽约，印度的孟买，泰国的曼谷。比利时的安特卫普尤其拥有“世界钻石之都”的美名。全世界的钻石交易大约有一半在安特卫普完成。“安特卫普切工”被当作完美切工的代名词。

钻石极为珍贵，所以其重量用专用单位“克拉”来表示。1 克拉等于 0.2 克。世界上最大的钻石是名为“非洲之星”的钻石，它被镶嵌在英国女王的权杖上，重量达到 530.2 克拉，换算后为 106.04 克。

著名的IGI认证与GIA认证

国际宝石学院是世界顶尖的宝石学院，并且是全球最大的独立珠宝首饰鉴定实验室。IGI 在 1975 年于比利时安特卫普成立。其拥有广泛的经验，能给出专业的意见，还长期拥有可靠正直的声誉，这些使得 IGI 成为珠宝行业参照标准的代名词。IGI 是全球最大的独立实验室，在数十年的鉴定过程中，开发出了激光刻字、暗室照片等专利技术，并且开创并推广了 3EX 切工评价体系。长期以来，它一直处于全球宝石学的领先地位，是规范的制定者。IGI 起初只为比利时的少数钻石世家提供私人钻石鉴定服务。后来，一些高品质的大钻被销往欧洲的各个王室。IGI 的名字逐渐在王室之间传开。例如，欧洲、中东和亚洲的王室会把一些普通鉴定师难以鉴定的精细珠宝首饰送到比利时，让 IGI 进行分析。

值得一提的是，IGI 制定出了世界上第一张涵盖全面且完整的钻石切工评级表，也就是 Cut Grade Chart。这使得它成为了现代钻石切工体系评定标准最初的样子。

美国宝石学院是将钻石鉴定证书推广为国际化的开创者。1931 年由 Mr. Robert Shipley 创立，到现在已有近 70 年历史，其鉴定费用一直很昂贵。GIA 在鉴定书内容品质方面很有公信力。GIA 是非营利机构，然而其经费大多由美国各大珠宝公司赞助。它的证书出现符合了美国珠宝商的发展利益，并且还为许多面向大众人群的消费品牌提供鉴定证书。例如主打主流中产阶级男性的著名美国网店“蓝色尼罗河”，基本上使用的是 GIA 和 AGS 的证书。

二、石墨烯（石墨烯断裂强度比最好的钢材高200倍）

石墨烯是一种新材料，其碳原子以 sp2杂化连接并紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构。石墨烯具备优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面有着十分重要的应用前景，被视为一种未来具有革命性的材料。值得一提的是，英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，通过微机械剥离法成功地从石墨里分离出了石墨烯，正因如此，他们共同获得了 2010 年诺贝尔物理学奖。石墨烯常见的粉体生产方法有机械剥离法、氧化还原法、SiC 外延生长法，其薄膜生产方法是化学气相沉积法（CVD）。

拉伸幅度能达到自身尺寸的 20%。石墨烯可作为一种新型纳米材料，它超薄、超强，导电导热性能优良，被称为“黑金”，是“新材料之王”。科学家甚至预言，石墨烯将“彻底改变 21 世纪”，极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。

石墨烯的热传导性能非常好。纯的无缺陷的单层石墨烯，其导热系数高达 5300W/mK，是目前导热系数最高的碳材料。石墨烯的弹道热导率能够使单位圆周和长度的碳纳米管的弹道热导率的下限降低。石墨烯的光学特性非常良好，在较宽波长范围内，吸收率约为 2.3%，看上去几乎是透明的。

石墨烯能够做成化学传感器。部分学者的研究表明，石墨烯化学探测器的灵敏度能够与单分子检测的极限相媲美。石墨烯因其独特的二维结构，对周围环境极为敏感。石墨烯是电化学生物传感器的理想材料，由石墨烯制成的传感器在医学上检测多巴胺、葡萄糖等时具有良好的灵敏性。

石墨烯可用于制作晶体管。因为石墨烯结构具有高度稳定性，所以这种晶体管在接近单个原子的尺度上仍能稳定工作。而目前以硅为材料的晶体管在 10 纳米左右尺度上会失去稳定性。石墨烯中电子对外场的反应速度极快，这一特点使得由它制成的晶体管能达到极高的工作频率。并且这个频率超过了同等尺度的硅晶体管

韩国研究人员首次造出了一种柔性透明显示屏，它由多层石墨烯和玻璃纤维聚酯片基底构成。韩国三星公司与成均馆大学的研究人员在一个 63 厘米宽的柔性透明玻璃纤维聚酯板上，造出了一块电视机大小的纯石墨烯。他们称这是迄今“块头”最大的石墨烯块。接着，他们用此石墨烯块造出了一块柔性触摸屏。

新能源电池是石墨烯最早商用的一个重要领域。美国麻省理工学院成功研制出了柔性光伏电池板，其表面附有石墨烯纳米涂层，能够极大地降低制造透明可变形太阳能电池的成本，这种电池有在夜视镜、相机等小型数码设备中应用的可能。另外，石墨烯超级电池成功研发了。这解决了新能源汽车电池容量不足的问题，也解决了充电时间长的问题。它极大地加速了新能源电池产业的发展。这一系列的研究成果为石墨烯在新能源电池行业的应用铺就了道路。

石墨烯过滤器使用的量比其他海水淡化技术多。水环境中，氧化石墨烯薄膜与水紧密接触后，能形成约 0.9 纳米宽的通道。小于该尺寸的离子或分子可快速通过。通过机械手段进一步压缩石墨烯薄膜中的毛细通道尺寸，以控制孔径大小，就能高效过滤海水中的盐份。

石墨烯具有高导电性、高强度、超轻薄等特性，所以它在航天军工领域的应用优势极为突出。2014 年，美国 NASA 开发出用于航天领域的石墨烯传感器，此传感器能够很好地对地球高空大气层的微量元素以及航天器上的结构性缺陷等进行检测。并且，石墨烯在超轻型飞机材料等潜在应用方面将发挥更重要的作用。

石墨烯用于加速人类骨髓间充质干细胞的成骨分化，还被用于制造碳化硅上外延石墨烯的生物传感器。石墨烯能作为神经接口电极，且不会改变或破坏性能，比如信号强度或疤痕组织的形成。因为具备柔韧性、生物相容性和导电性等特性，所以石墨烯电极在体内比钨或硅电极稳定得多。石墨烯氧化物能有效抑制大肠杆菌的生长，同时不会对人体细胞造成伤害。

石墨和石墨烯在以下方面有广泛应用：电池电极材料、半导体器件、透明显示屏、传感器、电容器、晶体管等。因为石墨烯材料具有优异的性能以及潜在的应用价值，所以在化学、材料、物理、生物、环境、能源等众多学科领域已经取得了一系列重要的进展。

值得一提的是，中国在石墨烯研究方面具有独特优势。从生产角度来看，石墨烯的生产原料石墨，在我国的储能十分丰富，且价格低廉。欧盟委员会曾把石墨烯列为“未来新兴旗舰技术项目”，并设立专项研发计划，在未来 10 年内拨出 10 亿欧元经费。英国政府进行了投资，建立了国家石墨烯研究所（NGI），其目的是让这种材料在接下来的几十年中能够从实验室走向生产线和市场。

三、碳炔（强度超过钻石的40倍）

碳原子聚集形成链，这些碳原子通过双键或者交替的单键和三键相连接，这种链就是碳炔。碳炔被视为世界上最强韧的材料，其强度比钻石高 40 倍，已被证明比钢强 200 多倍，是石墨烯强度的两倍。碳炔在未来超高强度设备的发展中会有很重要的用途。

美国工程网站于 2013 年 10 月 14 日曾有报道，赖斯大学的计算模型表明碳炔是世界上最强的材料。在过去的几个世纪中，材料工程师一直都在努力发展更强大的材料。此前，金属曾处于领先地位，而在最近几十年里，纳米材料证明了它们是地球上最强的材料。

碳炔过去已在室温下合成，然而科学家尚未找到批量生产该材料的方法。倘若此技术突破得以实现，轻且强的材料将会对地球和太空中的产业产生影响。

碳纳米管和石墨烯的硬度是 4.5×108 牛顿米/千克。目前已知最硬的材料的硬度不如碳炔。碳炔能达到 109 牛顿米/千克。

碳炔的强度无与伦比，单链结构需施加 10 纳米牛外力才能被破坏。若转化为强度，可达 6.0 至 7.5×107 牛顿米/千克，此强度超过了石墨烯的 4.7 至 5.5×107 牛顿米每/克，也超过了碳纳米管的 4.3 至 5.0×107 牛顿米/千克以及金刚石的 2.5 至 6.5×107 牛顿米/千克。

碳炔具有一些有趣的性能。其一，它的柔韧性与聚合物以及双链 DNA 相似。其二，一旦发生扭曲，其整个结构能够自由旋转，且强度取决于末端化学组的牢固程度。其三，最有趣的或许是其稳定性，研究表明当两组碳炔链接触时会发生反应，但存在一个激活屏障，能很容易地防止这种情况的发生。

1885 年，德国有机化学家阿道夫·冯 - 贝耶尔首次提出了碳炔的概念。他说这种物质是一种由无限长的碳碳单键和三键交替形成的碳链。同时他也提醒，因为碳炔极不稳定，所以很难将其制造出来。

美国科学家之前通过理论计算指出，碳炔这种由碳原子构成的一维线性带状物，其强度比任何已知材料都更硬且更坚固，具有巨大的抗张强度和硬度，其硬度是钻石的 40 倍，是石墨烯的两倍，所以能够用于制备超坚固的设备。此外，它还具备仅在被拉伸 3%时就能从导体转变为绝缘体的独特属性，因此在电子设备领域备受青睐。

科学家们可采用一些方法使碳链保持稳定，然而此前仅能制备出最多含 100 个碳原子的不稳定碳链。现在，维也纳大学的托马斯·皮赫莱尔团队借助新方法大量制备出了稳定的碳长链，其中有些长链拥有 6000 多个碳原子，这些长链被视为有史以来最接近碳炔的“产物”。

科学家们曾经把两层石墨烯卷成一团，从而制造出了一个双壁的碳纳米管。他们还在石墨烯薄片的缝隙内合成出了这种碳长链，因为缝隙能够保护这种材料并且使其保持稳定。

四、碳纳米管（碳纳米管强度比同体积钢的强度高100倍）

碳纳米管属于一维纳米材料。它重量较轻。其六边形结构连接得十分完美。并且它还具有许多异常的力学性能、电学性能和化学性能。

碳纳米管，又名巴基管。它是一种一维量子材料，具有特殊结构，径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，且管子两端基本上都封口。碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成，能构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定距离，约 0.34nm，其直径一般为 2 至 20nm。碳六边形沿轴向有不同取向，据此可将其分成锯齿形、扶手椅型和螺旋型三种。在这三种类型中，螺旋型的碳纳米管具有手性，而锯齿形和扶手椅型的碳纳米管没有手性。

碳纳米管可被视为由石墨烯片层卷曲而成。所以依据石墨烯片的层数，它可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。碳纳米管的硬度与金刚石相近，并且具备良好的柔韧性，能够进行拉伸。碳纳米管的强度比同体积钢的强度要高 100 倍，而其重量仅是后者的 1/6 到 1/7。正因如此，碳纳米管被称作“超级纤维”。近些年，碳纳米管及纳米材料的研究不断深入。其应用前景广阔，并且不断地展现出来。

碳纳米管的力学性能良好。CNTs 的抗拉强度能达到 50 到 200GPa，其抗拉强度是钢的 100 倍。碳纳米管的密度只有钢的 1/6，至少比常规石墨纤维的密度高一个数量级。它的弹性模量可达 1TPa，与金刚石的弹性模量相当，大约是钢的 5 倍。对于具有理想结构的单层壁的碳纳米管，其抗拉强度约为 800GPa。但其结构比高分子材料稳定很多。

碳纳米管是目前能制备出的比强度最高的材料。将其他工程材料作为基体与碳纳米管制成复合材料的话，能让复合材料展现出优良的强度、弹性、抗疲劳性以及各向同性，给复合材料的性能带来极大的提升。

碳纳米管的硬度与金刚石相当，并且拥有良好的柔韧性，能够被拉伸。在工业常用的增强型纤维中，长径比是决定强度的一个关键因素，长径比指的是长度和直径之比。材料工程师期望得到的长径比至少为 20:1，而碳纳米管的长径比通常在 1000:1 以上，所以它是理想的高强度纤维材料。值得一提的是，美国宾州州立大学的研究人员表明，碳纳米管的强度相较于同体积钢的强度要高出 100 倍，并且其重量仅仅是后者的 1/6 到 1/7 。正因如此，碳纳米管被称作“超级纤维”。

莫斯科大学的研究人员曾把碳纳米管放置在 1011 MPa 的水压下，此水压相当于水下 10000 米深的压强。因为压力巨大，碳纳米管被压得扁扁的。当撤去压力后，碳纳米管立刻像弹簧那样恢复了形状，并且展现出良好的韧性。这表明人们能够借助碳纳米管制造出轻薄的弹簧，把它用在汽车、火车上当作减震装置，从而可以大大减轻重量。值得注意的是，碳纳米管的熔点是已知材料中最高的。

碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以它具有良好的导电性能，进而具有很好的电学性能。

碳纳米管的传热性能良好，CNTs 的长径比非常大，所以其沿着长度方向的热交换性能高，而垂直方向的热交换性能较低。通过合适的取向，能够合成高各向异性的热传导材料。此外，碳纳米管的热导率较高，只要在复合材料中掺杂微量的碳纳米管，该复合材料的热导率就可能得到很大的改善。

五、硼烯（神奇纳米材料）

硼烯最早并非诞生于实验室，而是在计算机中。计算机模拟表明，硼氧化物的诞生或许可追溯至 1990 年，以展现硼原子如何形成单层。自 20 多年前起，世界各地的科学家都借助计算机模拟，证实了硼烯的存在，并对其性质作出了预测。因此，美国阿贡国家实验室、中国南开大学、纽约州立大学石溪分校、美国西北大学的科学家合作进行了研究，获得了只有单原子厚度的二维硼材料，这种材料是硼烯。

石墨烯是由单层碳原子呈蜂巢状排列而成的结构。它是目前所知的最薄且最坚硬的纳米材料。在石墨烯之后，科学家期望能找到更多具备优良特性的二维材料。元素硼因为与碳是“近邻”，所以成为了首要目标。不过，被称作石墨烯“兄弟”的硼烯并非自然生成的，只能通过人工合成。

科学家对硼烯的理论结构进行预测已经超过 10 年了，然而却从未成功合成过。并且，即便存在个别薄膜等样品，但其结构也是极为复杂的。正因如此，硼烯的制备成为了国际凝聚态物理及材料物理界普遍公认的世界难题。

硼烯的晶格排列与石墨烯中的碳相同，都是六边形晶格排列，并且在每个六边形中心还有一个硼原子。硼烯在某个方向上的强度比石墨烯高。它具有优越的力学性质，同时还有特殊的电学性质和热学性质，所以其应用前景十分宽广。因为硼烯拥有优越的电学、力学、热学属性，所以被科学界寄予厚望，有可能成为继石墨烯之后的又一种“神奇纳米材料”。

硼烯是目前已知的二维材料中最轻的。它表面活性很高，也更容易发生化学反应。这一特性使得硼烯很适合在电池里储存金属离子。所以，对于锂电池、钠电池、镁电池而言，硼烯是极为理想的电极材料，同等重量下能储存多得多的电能。

硼烯可能有一个令人惊讶的应用是储氢。研究显示，这种材料能够储存超过自身重量 15％的氢，比普通材料可处理的量要多很多。它还能充当催化剂，把水分解成氢和氧离子。氢原子容易粘附在硼卟啉的单层结构上，这种吸附性能与原子层巨大的表面积相结合，使硼卟啉成为一种很有前景的储氢材料。理论研究表明，硼氧化物能够将自身重量的 15％及以上储存于氢气之中，这一储存能力明显比其他材料更为优异。

硼烯具有超导性。硼烯有成为超导体的可能。美国 Rice 大学 Boris Yakobson 等人经理论计算得知，在金属衬底上制备出的几种稳定的单层硼烯结构有以声子为媒介的超导特性的可能，其超导转变温度预计在 10 至 20K 之间。清华大学倪军教授的研究组通过计算进行了预言。他们预言了带翘曲结构的双层硼烯薄膜具有超导的可能性。在这些预言中，8 - C2 / m - II 结构的硼烯的超导转变温度能够达到 27.6K。

研究表明，硼烯具有多层结构，这种结构的硼烯是极为优良的超级电容材料。在能量密度处于很高的水平时，由硼烯所制成的超级电容能够达成极高的循环稳定性。

硼烯是最轻的析氢反应催化剂。硼硅烯具备将催化分子氢分解为氢离子，以及将水分解为氢和氧离子的能力。实际上，世界上的化学家们满怀信心。硼烯有可能成为进入世界的下一个神奇材料。

六、气凝胶（绝缘能力比最好的玻璃纤维强39倍）

气凝胶又叫做干凝胶。当凝胶把大部分溶剂脱去，导致凝胶中液体的含量比固体的含量少很多，或者凝胶的空间网状结构中所充满的介质是气体，并且其外表呈现出固体的状态，这样的物质就是干凝胶，同时也被称为气凝胶。例如明胶、阿拉伯胶、硅胶、毛发、指甲等。气凝胶还具备凝胶的性质，包括具有膨胀作用、触变作用、离浆作用。

气凝胶是世界最轻的固体，已被选入吉尼斯世界纪录。目前最轻的硅气凝胶，其密度仅为 0.16 毫克每立方厘米，比空气密度略低，因此也被称作“冻结的烟”或“蓝烟”。气凝胶看起来很“弱不禁风”，但实际上非常坚固耐用。它能够承受相当于自身质量几千倍的压力，在温度达到 1200 摄氏度时才会熔化。它的导热性很低，折射率也很低。它的绝缘能力比最好的玻璃纤维强 39 倍。因为具备这些特性，气凝胶成为航天探测中不可替代的材料。例如，俄罗斯“和平”号空间站和美国“火星探路者”探测器都用它来进行热绝缘。

美国国家宇航局研制出一种新型气凝胶。这种气凝胶的密度仅为每立方厘米 3 毫克。日前，它已正式入选《吉尼斯世界纪录》，成为“世界上密度最低的固体”。

这种气凝胶呈半透明淡蓝色，且重量极轻，所以人们将其称作“固态烟”。新型气凝胶是由美国国家宇航局下属的“喷气推进实验室”的材料科学家史蒂芬·琼斯博士研发出来的。它的主要成分是二氧化硅，就像玻璃一样。但由于它 99.8%都是空气，所以其密度仅为玻璃的千分之一。

气凝胶在航天领域的应用不局限于此。美国国家宇航局的“星尘”号飞船正携带着它在太空中执行一项极为重要的任务，那就是收集彗星微粒。科学家们认为，彗星微粒中蕴含着太阳系中最为原始、最为古老的物质，对其进行研究能够帮助人类更明晰地了解太阳和行星的历史。在 2006 年，“星尘”号飞船将人类获取的第一批彗星星尘样本带回了地球。

气凝胶的基本制备原理为除去凝胶中的溶剂，以保留其完整的骨架。在以往制备气凝胶的案例里，科学家主要运用溶胶—凝胶法和模板导向法。溶胶—凝胶法能够批量合成，然而其可控性不佳；模板导向法能生成有序的结构，但它依赖于模板的精细结构和尺寸，所以难以大量制备。

后来课题组开辟了新的途径，探索出了无模板冷冻干燥法。把溶解了石墨烯和碳纳米管的水溶液在低温下进行冻干操作，这样就获得了“碳海绵”。而且能够随意调节其形状，这使得生产过程变得更加便捷，也让这种超轻材料的大规模制造和应用有了可能。

专家介绍，“碳海绵”具有高弹性，即便被压缩 80%也能恢复原状。它对有机溶剂的吸附力超快且超高，是目前已报道的吸油力最高的材料。现有的吸油产品通常只能吸收自身质量 10 倍左右的液体，而“碳海绵”的吸收量约为 250 倍，最高能达到 900 倍，并且只吸油不吸水。科研人员称，“碳海绵”或许能成为高效的复合材料。

七、纳米线（比钢坚硬15倍）

纳米线属于一维材料。它在横向上被限制在 100 纳米以下，且纵横比在 1000 以上。碳纳米管是纳米线大家族里的明星材料。依据组成材料的差异，纳米线可分为不同类型，其中有金属纳米线、半导体纳米线和绝缘体纳米线。一般来说，当尺寸减小后，纳米线会展现出比大块材料更优的机械性能，其强度会增强，韧度也会变好。纳米线在电子、光电子和纳电子机械器械中有可能发挥很重要的作用。它能作为合成物里的添加物，也可以作为量子器械中的连线，还能充当场发射器以及生物分子纳米感应器。

纳米线可以把太阳光自然地聚集到晶体的一个极小区域，其聚光能力达到普通光照强度的 15 倍。研究人员称，这种垂直分支结构能为化学反应提供比平面结构高 40 万倍的表面积。研究人员有着更远大的目标，他们将目光锁定在人工光合作用上。植物在自然界的光合作用里，会吸收阳光，同时也会吸收二氧化碳和水，进而产生碳水化合物供自身生长。研究人员期望有朝一日能够对这一过程进行模仿，借助纳米“森林”去吸收大气中的二氧化碳。

值得一提的是，2013 年英国科学家研制出一种玻璃（二氧化硅）纳米纤维。这种纤维比头发细千倍，同时比钢坚硬 15 倍。它堪称世界上强度最高且最轻的“纳米线”。从历史角度来看，碳纳米管是最强的物质。然而，其高强度只能在仅几微米长的样品中被测量到，所以其实用价值不大。

二氧化硅纳米线比高强度钢硬很多，硬 15 倍；比传统强化玻璃钢强，强 10 倍。这样一来，人们能够减少材料使用量，进而减轻物体重量。生产纳米线的硅和氧在地壳层是常见的元素，既可持续又廉价可利用。并且，可以生产出吨级的二氧化硅纳米纤维，用于光学纤维电力网络。特别有挑战性的是怎样处理这么小的纤维，它们比人的头发细得多，近千倍。事实上，当它们变得极小极小时，它们的行为就会有完全不同的表现。它们不再像玻璃那样易碎且易破裂，而是像塑料那样柔软。这表明它们具有可以被抻拉的韧性。该研究结果能够用于改造航空、航海以及安全等行业。

科学家研发出一种微电池。这种微电池里有垂直排列的镍—锡纳米线。这些纳米线外面均匀包裹着一种多聚体材料，这种材料叫做 PMMA。PMMA 也就是人们俗称的有机玻璃。PMMA 的主要作用是绝缘。当有电流通过时，它能保护里面的纳米线不受反电极的影响。这种电池比普通的锂电池充电时间更短，其他性能也更为出色。

八、氮化硼（立方氮化硼比金刚石还硬）

氮化硼是由氮原子和硼原子构成的晶体。其化学组成为 43.6%的硼以及 56.4%的氮。它具有四种不同的变体，分别是六方氮化硼（HBN）、菱方氮化硼（RBN）、立方氮化硼（CBN）和纤锌矿氮化硼（WBN）。立方氮化硼比金刚石更硬一些，而其他种类的氮化硼硬度比金刚石稍弱。氮化硼在宇航等尖端技术中用途极为广泛。

氮化硼具有多种优良性能。它被广泛应用于高压高频电的绝缘体。它也被用于等离子弧的绝缘体。它还被用作自动焊接耐高温架的涂层。它是高频感应电炉的材料。它是半导体的固相掺和料。它是原子反应堆的结构材料。它可防止中子辐射，用作包装材料。它是雷达的传递窗。它是雷达天线的介质。它是火箭发动机的组成物。

氮化硼具有优良的润滑性能，所以它被用作高温润滑剂以及多种模型的脱模剂。模压后的氮化硼能够制造出耐高温的坩埚和其他制品。它还可作为超硬材料，适用于地质勘探、石油钻探的钻头以及高速切削工具。同时，它也能用作金属加工的研磨材料，这种研磨材料具有加工表面温度低以及部件表面缺陷少的特点。此外，氮化硼还可以用作各种材料的添加剂。氮化硼纤维由氮化硼加工制成，它属于中模数高功能纤维，是一种无机合成工程材料，能够在化学工业、纺织工业、宇航技术以及其他尖端工业部门广泛使用。

氮化硼纤维有多种用途。因为氮化硼热稳定性好且耐磨性强，还化学稳定性强，所以它可以用作温度传感器套，以及火箭、燃烧室内衬和等离子体喷射炉的材料；它能用作陶瓷基复合材料的增强剂，还可作为导弹和飞行器的天线窗部件、电绝缘器、防护服、重返大气层的降落伞以及火箭喷管鼻锥等材料；它可用于高温润滑剂、脱模剂、高频绝缘材料和半导体的固相掺杂材料等。

氮化硼具有热稳定性好和耐磨性好的特点，同时化学稳定性强。基于这些特性，它可用作温度传感器套，还能制造高温物件，像火箭、燃烧室内衬以及等离子体喷射炉材料等。此外，它还可作高温润滑剂、脱模剂、高频绝缘材料和半导体的固相掺杂材料等。六方氮化硼能转化为立方体。粉状的六方氮化硼可以转化为纤维状。这种转化使其用途变得更加广泛。它可用作超硬材料。可用于电绝缘器等。可用于天线窗等。可用于防护服等。可用于重返大气层的降落伞等。还可用于火箭喷管鼻锥等。

九、金刚砂（碳化硅硬度仅次于金刚石、碳化硼和立方氮化硼）

1891 年，美国人艾奇逊在进行电熔金刚石实验时，在实验室偶然发现了一种碳化物，这种碳化物就是碳化硅。当时人们误以为它是金刚石的混合体，所以给它取名为金刚砂。碳化硅的硬度很大，其莫氏硬度达到 9.5 级，仅仅稍稍低于金刚石的 10 级。它还具有优良的导热性能，是一种半导体，在高温时能够抗氧化。

碳化硅的硬度仅次于金刚石、碳化硼和立方氮化硼，在无机材料里排行第四。目前已经能够通过热压烧结法制造出高致密度的碳化硅。它的强度很高，并且抗氧化性能良好，在高温环境下不会变形。它可以用作高温燃气轮机上的涡轮叶片，也可以当作耐磨的密封材料，还能用作火箭尾喷管的喷嘴以及轻质的防弹用品等。

金刚砂为无色晶体。它的密度较大，硬度也很大，大概是莫氏 9.5 度。通常呈现为无色粉状颗粒。将其磨碎之后，能够用作研磨粉，还可以制作擦光纸，同时也能制作磨轮和砥石的摩擦表面。它是由砂和适量的碳放在电炉中进行加强热而制得的。

天然金刚砂又名石榴子石，它属于硅酸盐类矿物。通过水力分选、机械加工以及筛选分级等方法，制成了研磨材料。这种研磨材料的生产使用历史较为悠久，在古代中国就有使用金刚砂来研磨水晶玻璃以及各种玉石的事例。

十、钛合金（高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度）

钛合金是以钛作为基础，并且加入其他元素而组成的合金。世界上已经研制出的钛合金数量达到数百种，其中最为著名的合金大概有 20 到 30 种。钛合金具备强度高的特点，同时耐蚀性也很好，耐热性也比较高。它被广泛应用于工业生产当中，主要是用来制作飞机发动机压气机部件，其次是用于火箭、导弹以及高速飞机的结构件。

钛合金研究开发后得到了实际应用

1954 年美国研制成功了第一个实用的钛合金 Ti-6Al-4V 合金。这种合金的耐热性较好，强度也不错，塑性、韧性良好，成形性、可焊性都可以，耐蚀性和生物相容性也都较为优异。正因如此，它成为了钛合金工业中的王牌合金，其使用量已占全部钛合金的 75%～85%。其他许多钛合金都可以被视为 Ti-6Al-4V 合金的改型。

50 到 60 年代，主要致力于发展用于航空发动机的高温钛合金以及用于机体的结构钛合金。70 年代，开发出了一批耐蚀钛合金。80 年代以来，耐蚀钛合金和高强钛合金获得了进一步的发展。耐热钛合金的使用温度，从 50 年代的 400℃提升到了 90 年代的 600 到 650℃。

世界上研制出的钛合金数量达数百种。其中，最为著名的合金有 20 到 30 种。

钛合金的密度通常在 4.51g/立方厘米上下。它仅为钢密度的 60%。纯钛的强度才和普通钢的强度相近。一些高强度的钛合金，其强度超过了许多合金结构钢的强度。所以，钛合金的比强度（强度/密度）比其他金属结构材料大很多。见表 7-1，能够制造出单位强度高、刚性好且质轻的零、部件。目前飞机的发动机构件使用钛合金。目前飞机的骨架使用钛合金。目前飞机的蒙皮使用钛合金。目前飞机的紧固件使用钛合金。目前飞机的起落架使用钛合金。

钛合金在潮湿的大气环境中工作，其抗蚀性比不锈钢好很多；在海水介质中工作，抗蚀性也远超不锈钢。它对点蚀的抵抗力特别强，对酸蚀的抵抗力也很突出，对应力腐蚀的抵抗力更是格外强。同时，它对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等都有优良的抗腐蚀能力。然而，钛对具有还原性氧及铬盐介质的抗蚀性不佳。

钛合金在低温以及超低温的环境下，依然能够维持其力学性能。钛合金的低温性能较为良好，并且间隙元素含量极低，像 TA7 这种钛合金，在-253℃的温度下还可以保持一定的塑性。所以，钛合金是一种重要的低温结构材料。

钛合金强度高且密度小，机械性能良好，韧性和抗蚀性能也很好。钛工业的发展速度平均每年约为 8%。如今世界钛合金加工材的年产量已达 4 万余吨，钛合金的牌号接近 30 种。使用最为广泛的钛合金有 Ti-6Al-4V(TC4)、Ti-5Al-2.5Sn(TA7)以及工业纯钛（TA1、TA2 和 TA3）。

钛合金其次用于制作高速飞机的结构件。

钛合金是航空航天工业中一种重要的新结构材料。它的比重介于铝和钢之间，强度也介于铝和钢之间，使用温度同样介于铝和钢之间。同时，它的比强度高，还具有优异的抗海水腐蚀性能和超低温性能。1950 年，美国首次在 F - 84 战斗轰炸机上，将其用作后机身隔热板、导风罩、机尾罩等非承力构件。

钛无毒，质轻，强度高，还具有优良的生物相容性，所以它是十分理想的医用金属材料，能用作植入人体的植入物等。目前，在医学领域广泛使用的依然是 Ti-6Al-4v ELI 合金。然而，后者会析出极微量的钒离子和铝离子，这降低了它的细胞适应性，并且有可能对人体造成危害，此问题早已引起医学界的广泛关注。之后美国将其应用于矫形术。