硬質與超硬材料的探索一直是凝聚態物理領域一個重要的研究方向，同時在實際的工業生產中也具有巨大的應用前景。傳統的超硬材料諸如金剛石、立方氮化硼等，通常由輕元素（B-C-N-O）以共價鍵的形式組成，這種強B-C-N-O共價鍵有著良好的方向性，既能夠抵抗各向同性的壓縮，也能夠抵抗不同方向的剪切，因而表現出極高的力學強度。然而，傳統的超硬材料的缺陷也非常突出：金剛石容易發生石墨化，而立方氮化硼的合成需要異常苛刻的溫度和壓力條件。另外，純共價鍵合形式往往導致了其電絕性或寬帶半導體，而工業應用上在許多條件下都要求材料在具有超硬力學特性的同時也要具有較好的導電特性（如超硬鍍膜、線切割、壓機錘頭等等）。因此，尋找超硬的低電阻甚至金屬性的材料成為近年來一個重要的研究熱點。
　　最近，中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）極端條件實驗室EX6組于曉輝副研究員與表面物理實驗室SF10組李暉副研究員，EX5組靳常青研究員，吉林大學朱品文教授，北京航空航天大學張瑞豐教授合作，在探索“金屬電性的金剛石”-ZrB12方面取得了重要進展。他們首先通過高溫高壓等手段成功制備了純相ZrB12樣品，通過晶體衍射譜圖精修得到了晶體的精細結構。 　　如圖1所示：ZrB12主要由B網絡組成，并且B-B之間的距離只有1.78，對應極強的B-B鍵，同時晶體為面心立方結構，具有很高的對稱性沒有明顯的滑移方向。 　　如圖2所示，晶體各個方向表現的維氏硬度幾乎一致，力學特性具有很好的各向同性。在50g加載的情況下，ZrB12的硬度值高達40 GPa，達到了超硬材料的標準；在500g 加載時，硬度依然高達27 GPa，這一數值是目前應用最為廣泛的硬質WC材料的2.5倍。 　　理論計算發現，如圖3所示，ZrB12理想力學強度可達34.5 GPa，與純共價鍵形成的傳統超硬材料B6O接近，并且具有很好的各向同性，這是與我們的實驗結果一致；這種高對稱性的三維B-B網絡是ZrB12表現高力學特性的內在結構起源。 　　通過對ZrB12單晶低溫的電輸運性質進行了研究，他們發現ZrB12具有非常優異的金屬性。如圖4所示，在室溫條件下，其電阻率只有18 μΩ·cm，幾乎于金屬Pt相當；隨著溫度的降低，ZrB12的電阻率變化也表現出金屬性的行為，并在5.5 K左右出現了超導。此外，ZrB12在室溫條件下的seeback系數只有2.0 μV·K-1，也說明這種材料具有良好的金屬性。根據晶體衍射精修得到的結構數據，他們發現ZrB12的結構主體由B-B三維籠型網絡形成，而過渡金屬Zr處于{B}28籠子的中心位置，與相鄰的Zr之間的距離長達5.2 ，也就意味著不會有直接的金屬軌道重疊；而B-B網絡體現出了異常出色的力學穩定性說明B-B鍵為局域的共價形式。要理解ZrB12超硬性質之外的優異的金屬性，研究者采取了第一性原理計算模擬。他們發現，Zr原子在與B鍵合時，提供了大量的電子給B軌道，平均每個Zr原子轉移2.6個電子到Zr-B雜化軌道。 　　如圖5所示，進一步解析ZrB12的能帶結構發現，Zr-B的雜化軌道可以疊加在B-B三維軌道之上，形成了一種d-π-d的橋式結構，并在整個晶體結構形成貫通的離域導電通道，因而使得ZrB12整體體現出異常優越的金屬性。可以說，B-B三維網絡不但是ZrB12晶體結構的重要支撐，同時是電子快速傳導的橋梁。相關結果近期發表在《先進材料》上 “DOI: 10.1002/adma.201604003” 【Advanced Materials (2016)】本項研究工作得到了國家自然科學基金項目的資助。