你們覺得你們在知乎上都能想到這個問題,科學家們會沒有想到過?當然了,科學家們不會對這種看似好笑的問題嗤之以鼻。他們會問自己,我們真的知道答案嗎?如果不知道,那我們是不是該做個實驗呢?所以呢,科學家們早就做過掰鑽石的實驗了。
(圖片來源:Davies, A. R., Field, J. E., & Pickles, C. S. J. (2003). Strength of free-standing chemically vapour-deposited diamond measured by a range of techniques.Philosophical Magazine, 83(36), 4059-4070.)(作者是劍橋大學卡文迪許實驗室的)
注意,是真的「掰」,而不是「砸」或者「摔」。用科學的語言説,那就是「掰」鑽石是靜力或者擬靜力彎曲加載,應變的變化率(strain rate)很低;「砸」或者「摔」鑽石則是動力衝擊試驗,應變的變化率非常非常高。這兩者完全不能混為一談。
從試驗結果就能很明確的看到這一點,從開始加載到最終被掰斷,整個過程持續了大約 700 秒,也就是 11 分鐘,這是真正的慢慢慢慢的「掰」斷。拿錘子砸或者往地上摔,整個過程的時間要以毫秒來度量,不能叫做「掰」。實際上,這個試驗的加載速率是每分鐘 0.02 毫米,這樣的加載速度,肉眼已經幾乎看不出試驗機在動了。
當然,在科學家的掰鑽石的實驗裏,鑽石的尺寸並沒有筷子那麼大。我剛量了我家的筷子,長度大概 20 釐米,截面尺寸大概是 0.5 釐米見方,這樣的一根筷子如果是鑽石的,按 3.52 的相對密度,換算下來差不多要足足 100 克拉。如果您土豪到可以拿 100 克拉的鑽石做實驗,那悉聽尊便。
在上面這個實驗裏,鑽石試件的尺寸是 18x1.96x0.36 毫米,三點彎曲試驗,兩邊簡支,支座間距為 10 毫米,中間加載集中力,最終破壞時的力大約為 7 牛頓。換算成應力,對於 60 多個不同的鑽石樣品,鑽石的強度為 450 兆帕到 1000 兆帕之間。
450 兆帕是什麼概念呢?你家房子用的混凝土抗壓強度大概在 30 兆帕左右,你家房子裏的鋼筋的強度是 300 兆帕到 400 兆帕左右,很多汽車上用的高強度鋼材的強度大概在 500 兆帕左右,大家津津樂道的超級材料鈦合金的強度不過也就 1000 兆帕左右。
這位看官説了,什麼?你的意思是鑽石比鋼材都結實?甚至已經趕上鈦合金了?我並沒有這麼説,科學家們也沒有這麼説。科學家們説的是:截面尺寸 1.96x0.36 毫米的鑽石靜力加載條件下受彎,強度是 450 兆帕。至於跟筷子一樣粗的鑽石、乃至跟鋼筋一樣粗的鑽石的強度是多少,不知道,因為沒有人做過實驗,甚至可能都沒有人做過那麼大的鑽石。
這位看官又説了,不對吧?細的鑽石和粗的鑽石,強度難道不一樣?沒錯,真的不一樣。雖然沒有人測試過足夠大的鑽石,但是我們知道有很多材料的性質很接近鑽石,比如玻璃,類似的非金屬晶體,硬度同樣很高,斷裂韌性同樣很差。玻璃不像鑽石那麼貴,所以我們可以從玻璃這裏得到很多實驗結果。
對於一大塊普通的玻璃,實際測得的強度大概是 70 兆帕到 100 兆帕左右。事實上,普通玻璃之所以在 70 兆帕左右的時候會破壞,主要的原因是玻璃生產加工中產生的各種微小的瑕疵。如果採用更先進的工藝,把瑕疵控制的儘可能的低,玻璃的強度可以達到 500 兆帕。把這種高強度的玻璃製成纖維,也就是我們常説的玻璃纖維,而玻璃纖維製成的 GFRP 也就是我們俗稱的「玻璃鋼」,比如有些撐杆跳運動員的杆子、很多橋樑的加固構件就都是玻璃纖維製成的。單根玻璃纖維的實測強度甚至可以達到 4000 兆帕。如果你排除一切外部干擾,用最好的玻璃纖維,把它放在液氮裏,然後再加載測試,得到的強度將會達到 17000 兆帕,幾乎等於根據原子理論計算出來的強度極限值。
所以説,雖然都是同一種材料,同樣的玻璃,同樣的鑽石,但是實際樣品的大小不同,它們的強度也會不同。對於鑽石來説,科學家們已經知道對於截面 1.96x0.36 毫米的鑽石的強度。至於像筷子一樣粗的鑽石究竟如何,那可能還得做更多的實驗。
不管怎麼説,這是個很有意思的問題,我們現在已經有了碳纖維、玻璃纖維、凱夫拉縴維,説不定將來科學家們還可以造出鑽石纖維呢。