Vật liệu siêu cứng

Mũi thử (nanoindenter) có đầu kim cương dùng để xác định độ cứng và một số thuộc tính liên quan của vật liệu.
Vật liệu siêu cứng là loại vật liệu có độ cứng trên 40 gigapascal (GPa) đo được bằng kiểm định độ cứng Vickers. Những vật liệu này là những chất rắn không nén được, có mật độ electron lớn và nhiều liên kết cộng hóa trị. Nhiều ngành như làm dụng cụ mài, đánh bóng, cắt, làm phanh đĩa trước cho xe mô tô hay lớp phủ bảo vệ chống mài mòn hưởng lợi lớn từ các đặc điểm độc nhất của vật liệu siêu cứng.
Cho tới thời điểm hiện nay, kim cương là loại vật liệu có độ cứng lớn nhất và có độ cứng Vickers nằm trong khoảng từ 70 GPa đến 150 GPa. Kim cương có tính dẫn nhiệt và cách điện tốt. Hiện nay việc tìm kiếm ra ứng dụng thực tế của kim cương đang được quan tâm nhiều, tuy nhiên việc sử dụng kim cương đại trà trong công nghiệp bộc lộ một vài hạn chế, đơn cử như giá thành cao và hiện tượng kim cương bị oxy hóa khi nhiệt độ cao hơn 800 °C. Bên cạnh đó, kim cuơng còn bị hòa tan trong sắt ở nhiệt độ cao và tạo ra cementit (sắt carbide - Fe3C) khiến cho việc cắt các vật liệu chứa sắt (trong đó có thép) bằng kim cương trở nên không hiệu quả. Vì vậy các nghiên cứu về vật liệu siêu cứng hiện nay chú trọng vào các hợp chất có tính bền (cụ thể là bền nhiệt và bền hóa học) hơn kim cương tinh khiết.
Công cuộc khám phá ra các vật liệu siêu cứng mới có hai hướng chính. Trong hướng tiếp cận thứ nhất, các nhà nghiên cứu mô phỏng lại các liên kết cộng hóa trị của carbon trong cấu trúc tinh thể của kim cương bằng cách phối hợp các nguyên tố như bor, carbon, nitơ và oxy. Hướng tiếp cận này bắt đầu phổ biến từ thập niên 1980 khi mà người ta khám phá ra carbon nitride (C3N4) và các hợp chất ba nguyên tố B-C-N. Trong hướng tiếp cận thứ hai, người ta hướng tới việc chế tạo ra vật liệu siêu cứng có sự kết hợp với các nguyên tố nhẹ hơn (bor, carbon, nitơ và oxy) và đồng thời đưa vào các kim loại chuyển tiếp với mật độ electron hóa trị cao để gia tăng độ không nén được cho vật liệu. Hướng tiếp cận này đòi hỏi phải phối hợp các kim loại có độ cứng thấp, mô đun đàn hồi khối lớn với các nguyên tử hình thành liên kết cộng hóa trị để tọa ra vật liệu siêu cứng. Wolfram(IV) carbide có thể được coi là một sản phẩm được ứng dụng trong công nghiệp của hướng tiếp cận này, mặc dù người ta không coi nó là vật liệu siêu cứng. Ngoài ra người ta còn có một lĩnh vực nghiên cứu vật liệu siêu cứng tiềm năng liên quan tới các hợp chất boride của kim loại chuyển tiếp và đã cho ra đời các hợp chất như rheni điboride (ReB2), osmi điboride (OsB2) và wolfram tetraboride (WB4).
Ta có thể phân chia các vật liệu siêu cứng thành hai nhóm: nhóm vật liệu cứng thuần (intrinsic compound) và nhóm vật liệu cứng không thuần (extrinsic compound). Nhóm vật liệu cứng thuần gồm các hợp chất có tính cứng sẵn có như kim cương, tinh thể bor nitride lập phương tâm mặt, beta nitride carbon, và các hợp chất ba nguyên tố đơn cử như B-N-C. Ngược lại, nhóm vật liệu cứng không thuần bao gồm các hợp chất có tính siêu cứng và một số đặc tính cơ học khác được xác định không phải bởi thành phần nguyên tố của chúng mà bởi cấu trúc vi mô của chúng, ví dụ như sợi nano kim cương tổng hợp (Aggregated diamond nanorod - ADNR).