为什么金刚石原子级结构是正四面体，而晶体是正八面体？

知乎 · 小侯飞氘  2018-08-09

天然金刚石确实容易长成八面体形状。实际上，很多立方晶系的宝石都容易长成八面体形状：

这种特性与宝石的晶体结构有关。很多宝石和金刚石在原子尺度的排列方式都是类似的，如下图所示：

上图中的每个立方体也称为晶胞，是能反映晶体对称性的最小结构单元：

这种面心立方的晶胞内确实包含许多正四面体。并且，这些四面体的表面都是原子堆积最紧密的面，也称密排面。一般来说，同样面积的表面，密排面具有最低的能量，因此在晶体形核和生长过程中，密排面往往最容易形成。

金刚石晶体中存在四个等价但不同方向的密排面，所以，直觉上，天然形成的金刚石应该会是个正四面体形状：

然而这样的四面体由四个非常尖锐的顶角。对同样体积的材料而言，顶角越尖锐，表面积越大，表面能就越高，就越不稳定。

所以，相比于长出四个尖锐的顶角，金刚石更愿意长的“圆润”一些。把四个顶角沿着密排面切掉，剩下的表面依然是能量最低的密排面，但同样体积材料的表面积却减小了很多，自然也就更稳定，更容易形成。

切掉四个顶角后，正四面体就变成了更“圆润”的正八面体，也就是我们常看见的天然金刚石形状：

上面这个八心八箭八面体原子模型可是我费了老大劲才切出来的，大家好意思不点赞就走么。

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