鑽石比鐵硬多了

鑽石是自然界已知最堅硬的物體，它的莫氏硬度為10。鐵的莫氏硬度大約在4~4.5之間，可以說鑽石比鐵硬一倍嗎？你錯了。

莫氏硬度以等級劃分，10是最高等級，它代表絕對硬度為1500的鑽石，而鐵的絕對硬度大約只有21~35。由此可見，鑽石的硬度至少是鐵的40倍！

鑽石是如此堅硬，如果我們用鐵錘砸一粒鑽石會發生什麼？它會碎裂還是嵌入到鐵裡面去？

這是一個有趣的問題，我們今天就從科學的角度來為你解開謎團。

砸鑽石很費錢

有朋友可能會說，這還不簡單，你砸一顆試試不就有結果了！

老粥是無論如何砸不起鑽石的，這小東西太貴了，並且我所掌握的知識告訴我：「最好別試，你玩不起。」

不過，國外倒真是有好事者拿真鑽石來做過實驗，他們將一顆價值6000美元的天然鑽石放在鐵砧上，用同樣是鐵的錘子來敲擊它，結果悲劇了：鑽石並沒有嵌入到鐵裡面，而是被敲的粉碎。

下面就是鑽石碎裂過程的慢鏡頭，6000美元瞬間化為烏有。

這實驗有一個問題

不知道你有沒有注意到鐵錘接觸到鑽石瞬間的畫面：這顆鑽石是斜著放在鐵砧上的，就像圖一的鑽石那樣。而如果我們將它的尖端向上，只要敲擊的力度不太大，鑽石還真未必這麼容易就碎成渣渣。

熱愛物理的朋友一定聽說過一種叫作「鑽石砧座」的東西，它的英文名為Diamond anvil cell（DAC），這是物理學家最愛的工具之一。通過將兩顆鑽石的尖端相對擠壓，可以在亞毫米大小的空間裡產生最高相當於770萬個大氣壓的巨大壓強，這可以模擬地球中心甚至木星內部的極端壓力，有傳言稱哈佛大學的團隊曾經用這種裝置將液態氫壓成了金屬氫，只可惜後來「裝置漏氣」，金屬氫消失了。

鑽石砧的兩顆鑽石相互擠壓能產生如此高的壓強，說明鑽石在某些狀態下的耐壓性還是非常高的，如果你將其尖端朝上，再用鐵錘砸它，很多時候它會完好無損地跳起來。這是因為當鐵錘撞擊鑽石的瞬間，鑽石几乎不變形，它將力傳遞到下方的鐵砧使其變形，鐵砧反彈的力讓鑽石彈跳起來。

這到底是為什麼呢？我們需要從鑽石的分子結構說起。

鑽石的分子結構

與石墨和石墨烯一樣，鑽石是碳的一種同素異形體。碳原子最外層有4個電子，在高溫高壓下，每一個碳原子都可以與其相鄰的4個碳原子形成共價鍵，這樣碳原子的最外層都達到8個電子的穩定狀態。同樣地，每5個原子組成的一個四面體也像金字塔一樣穩定，當其頂端的原子受壓，壓力會均勻向下傳遞給另外四個原子。

我們將這5個碳原子組合而成的四面體菱形結構稱為一個「晶胞」，鑽石就是由許許多多晶胞結合在一起的巨大穩定分子。當這個分子的頂端受壓時，壓力會通過碳原子的鍵迅速分散到晶體內其它原子，從而將壓力分散開來。

到目前為止，在自然界還沒有發現其它的分子結構比鑽石晶體的分子結構更穩固，因此鑽石的硬度和抗壓強度是最強的。

萬物皆有其弱點

所謂「成也蕭何敗也蕭何」，鑽石的這種結構看起來相當完美，卻也並非無懈可擊。

我們只要將這個晶體稍稍轉一個角度，就能發現它其實也是「分層」的，層與層之間的碳原子鍵要少得多。

相比於垂直方向，碳-碳鍵的側向受力能力則要弱許多。如果我們給鑽石施加的力並不是從晶體的「頂端」垂直向下，而是斜著施加在這些「分層」的側面，這些薄弱的鍵就會發生斷裂。

在材料科學中，物體吸收外部衝擊能量產生塑形變形而不破裂的能力被稱為韌性。鑽石由於其晶體結構的特點，它在某些方向（晶體111方向）上可以承受強大的壓力，同時在受到強烈衝擊時不容易發生變形，因此衝擊能量不易被轉化為熱能消耗掉；如果衝擊的方向不在晶體的頂端，鑽石的碳共價鍵會發生斷裂。也就是說鑽石的斷裂韌性比較弱。

現在你應該能夠理解，為什麼鑽石在傾斜放置時很容易被砸碎了。為了使鑽石擁有更平整光滑的光線反射面，工匠在加工和打磨鑽石時常常將其分層的底面作為頂，其尖端方向自然就是強度最高的位置；相應地，鑽石的側面可能就是它的「阿喀琉斯之踵」。

為什麼保險公司不為鑽石承保？

你可能早就聽人說，正規的保險公司是不為鑽石承保的，因為它的價值是虛高的，鑽石其實不值錢。

事實果真如此嗎？

許多保險公司不保鑽石是真的，並不是因為保險公司認為鑽石不值錢，而是鑽石很容易碎。如果不小心從高處跌落，又剛好碰到了它最脆弱的側邊，鑽石就很可能會崩裂，瞬間就變得不值錢了。鑒於此，即便是有些保險公司答應為你的鑽戒承保，其收取保險費也會相當高，因為他們認為你摔破鑽戒的機率很大。

問題回顧：

讓我們回到文章開頭提到的問題。

用鐵錘敲擊鑽石會發生什麼？鑽石大機率會碎，而不會嵌入鐵裡邊。

鑽石的原子排列形式使它成為自然界最堅硬的晶體，但這種排列是有方向性的，它意味著鑽石晶體在某幾個方向上擁有無可比擬的強度，同時它也存在著「阿喀琉斯之踵」。

鑽石晶體的側向是它的弱點；它的原子鍵合造成其彈性很差，韌性一般，很脆；並且許多天然的鑽石中存在著雜質和細小裂紋，這進一步削弱了鑽石的斷裂韌性。你不僅能用鐵錘輕鬆敲碎它，甚至只是不小心跌落地面也能讓它破裂，變得一文不值。

砸鑽石？還是算了吧！