比钻石更硬的钻石，中国科学家造出来了！

转自公众号：科学大院

比钻石还硬的六方钻石在中国诞生

上学时老师就告诉我们，钻石——或者更科学的说法，金刚石——是自然界最坚硬的物质。但科学家们通过计算发现，虽然金刚石的外部结构很坚硬，但在加强结构之后，其强度还能更进一步提升。

这位传说中的王者，就是六方晶系金刚石，也被称为朗斯代尔石。最近，中国科学家成功将这一构想变为现实。郑州大学与南京大学等团队的研究人员，在实验室中首次合成出毫米级尺寸的纯相六方金刚石，一举终结了困扰科学界长达六十余年的争议。

要理解这项突破为何激动人心，我们需要先了解两种金刚石在原子层面的堆砌结构。传统金刚石（立方金刚石）的碳原子排列类似一种极其牢固的三维立体蜂巢结构，层层堆叠，每三层为一个重复周期，而六方金刚石采用了另一种堆叠方式，每两层是一个重复周期。

堆叠方式的细微差别，决定了两种金刚石的强度差异。在立方金刚石中，特定的晶格排列导致它存在相对容易发生断裂的解理面。而六方金刚石独特的六方晶体对称性，改变了材料内部抵抗应力的方式，使其能更有效地抵御剪切破坏。理论预测显示，在面对特定条件下的极端受力时，六方金刚石的硬度可比传统金刚石高出超过50%。

然而，这位理论上的王者却行踪成谜。自1962年被预言存在、1967年在陨石中被发现以来，科学界关于六方金刚石能否在实验室合成的争论从未停止。天然的六方金刚石仅以纳米级微小颗粒镶嵌在陨石中，可遇而不可求。而在实验室极端的高温高压环境下，更容易生成传统的立方金刚石，六方结构难以稳定形成。过去的一些疑似发现，也因证据不足而备受质疑，甚至有人认为那不过是结构有缺陷的普通金刚石。

这一次，中国科学家给出了确定性的答案。研究团队从根源入手，自主研制了大腔体单轴高压设备。他们以高纯度、结构规整的热解石墨为起点，在相当于20万个标准大气压的超高压和约1300摄氏度的高温下，进行了一场原子尺度的“折纸”，成功诱导石墨中的碳原子层以特定方式滑动、重组，最终构筑出了毫米尺寸的六方金刚石晶体。这标志着人类首次在宏观尺度上掌握了合成这种神秘材料的能力。

更重要的是，团队运用同步辐射X射线衍射、原子分辨率透射电镜等探测技术，清晰地看到了其完美的六方晶体结构和独特的原子键合特征，获得了如同指纹般确凿的身份证明。性能测试结果更令人振奋：合成的六方金刚石不仅在硬度上超越了传统金刚石，其抗剪切能力和抗氧化性也更为优异。国际审稿人评价这些证据最终解决了关于六方金刚石能由实验室合成的长期争议。

这项研究的价值远不止于证实一个理论猜想。它意味着，一种预期性能更为极致的超硬材料，终于走出了理论预测和陨石传说，成为了人类可以制备和研究的实体。在未来，它有望带来全新的切割工具、更高效的散热材料，或在量子传感等尖端领域大放异彩。

左图：普通金刚石的结构；右图：六方金刚石的结构。（图片来源：nature.com）

球鞋为什么会在球场上发出吱吱声？

看过篮球比赛的读者肯定都熟悉，球鞋经常在篮球场上发出尖锐的摩擦声，越是激烈对抗，这一标志性的声音就越密集。最近，科学家们终于破解了这熟悉声响背后的秘密，它与皮肤磨擦玻璃、粉笔摩擦黑板的尖锐声音类似，源于软-硬界面摩擦中的微观“地震”。

想象一下，当拖动一个沉重的箱子时，它时常会卡住、滑动、再卡住——这种走走停停的过程，在物理学中被称为粘滑运动，篮球鞋的尖叫正源于此。哈佛大学的物理学家阿德尔·杰卢利及其团队通过巧妙实验，首次清晰捕捉到了这一过程。他们让鞋子在一块代表光滑地板的玻璃上滑动，并从下方进行高速拍摄。

图像揭示了一个精妙的动态过程：鞋底并非整体滑动，而是像一张被用力抖动的桌布，皱褶（即微小的突起）以波的形式从鞋头快速传向鞋跟。关键在于，这种皱褶脉冲的重复频率极高，达到每秒约4800次。每次脉冲，都像微型扬声器纸盆的一次快速弹拨，压缩周围的空气，从而产生我们听到的那个特定高音。脉冲的频率直接决定了声音的音高。

为了看清这些微观层面的脱离，研究者运用了全内反射原理。在实验中，鞋底与玻璃紧密接触的区域显得明亮，而因轻微弯曲与玻璃分离的微小区域则呈现暗斑。正是这些飞速移动的明暗图案，奏响了球鞋吱吱声的旋律。

那么，为什么只有带纹路的运动鞋能发出如此清脆的声响，而一块平底的橡胶只会发出沉闷的噪音呢？答案藏在鞋底的沟壑里。进一步的实验表明，鞋底的花纹像轨道一样，引导并组织了这些微观脉冲，使它们整齐划一地依次发生，从而产生纯净的音调。相比之下，没有纹路的平坦橡胶块，脉冲发生得杂乱无章，只能制造出一片混沌的噪音。

更有趣的是，研究者发现声音的音高可以由橡胶的厚度和软硬程度来调节。这指向了一个充满科幻色彩的可能性：通过精心设计鞋底的材料和结构，我们或许可以制造出无声的运动鞋——原理是将吱吱声的频率提升到人耳听不见的超声波范围。当然，这样做可能会惹恼你家的宠物狗。

这项研究的魅力不仅在于解释现象，更在于其创造性的延伸。为了证明他们对原理的掌握已臻化境，研究人员定制了能发出不同音高的橡胶块，并让它们像琴键一样滑动，成功演奏出一段旋律。你能听出这是哪段音乐吗？评论区告诉课代表吧，至少我在看到答案之前是没听出来。

用球鞋发声的原理制造的特定频率橡胶演奏的乐曲（视频来源：参考文献）（友情提示：尖锐声音可能引起不适）

阿塔卡马沙漠之下，藏着一个疯狂动物城

想象一下这样一个地方：年降水量几乎为零，土壤盐渍化严重，昼夜温差极大，强烈的紫外线毫无遮拦地炙烤着大地。这就是南美洲的阿塔卡马沙漠，一个常被拿来与外星荒漠、极地冻原相比较的生命禁区。

在传统认知中，这里理应是一片寂静的“死地”。然而，最新的科学研究却为我们揭示了一个惊人的反转剧情：在这片超干旱的沙石之下，隐藏着一个繁荣而多样的“微观动物城”。

这座隐秘之城的主角，是一类被称为线虫的微小土壤蠕虫。别小看这些肉眼难辨的生物，它们是整个土壤生态系统的工程师。它们负责调控细菌种群，促进养分循环，其种群丰富度，直接反映了土壤的活力与生态功能。

一个由科隆大学领导的国际研究团队，在阿塔卡马沙漠中选择了六个环境各异的区域进行地毯式搜查，范围涵盖了从高海拔相对湿润区到低地超级盐碱带。通过对采集的沙土样本的精微分析，研究者得到了颠覆性的发现。

首先，生命的丰度远超预期。即使在最严酷的角落，线虫群落依然顽强地存在着，并非是我们想象的不毛之地。更关键的是，它们的分布图景清晰地印刻着环境的指纹：湿度是生命的画笔，哪里能有稍多的降水或雾气滋润，哪里的线虫物种多样性就显著提升。海拔则是生命的筛子，不同的高度伴随着温度、压力的变化，筛选出了能够适应特定区位的线虫社区。

而最让人困惑的是，明明降雨量为零，这些线虫到底是怎么活下来的呢？科学家进一步探索发现，线虫的生存策略非常多样化。在环境最极端的高海拔区域，线虫选择了无性繁殖的方式延续种群。我们可以将其理解为一种自我克隆的生存捷径，在条件恶劣、伴侣难寻的绝境中，放弃寻找配偶的复杂过程，直接复制自身的基因，或许是保障种群存续最直接、最高效的方式。这一发现有力地支持了生物学中的一个长期猜想：无性繁殖可能在极端环境中具备更显著的生存优势。

这项研究照亮了我们对干旱地带的一些认知盲区。它告诉我们，哪怕在全球最干旱的荒漠之下，依然存在着稳定而富有韧性的土壤生态系统。全球广袤的干旱区所蕴藏的生物多样性，可能远比我们过去估算的要丰富。

在阿塔卡马沙漠的部分区域，甚至上百年都没有记录到任何降水（图片来源：Tierra Atacama）