如果你问人们地球上最硬的物质是什么，大多数人可能会说是金刚石。金刚石的名字来源于古希腊语“ἀδάμας (adámas)“，意思是”坚不可摧“，就是从这个词中演绎出了英语单词”adamant“（坚硬的，坚决的）。金刚石的硬度赋予了它极强的切割能力，再加上它天然的美感使它数千年来备受人们追捧。
现代科学家们几十年来一直在寻求一种更廉价、坚硬、实用的金刚石替代品。每过几年，就会有消息称某科学家创造了一种新的“世界上最硬的物质“，比如2009年，上海交通大学的科学家就声称发现了两种比金刚石还要硬的天然物质，纤锌矿型氮化硼（wurtzite type boron nitride）和朗斯代尔石（mineral lonsdaleite），然而这两种物质在自然界都异常稀有，所以，目前科学家们并不能收集到足够多的材料来进行测试以验证他们的推测。
尽管有其独特的吸引力，但金刚石也仅仅是碳的一种特殊的同素异形体（allotrope，同素异形体是指由同样的单一化学元素组成，但性质却不相同的单质）。碳家族中的其它同素异形体还有碳纳米管（carbon nanotubes）、无定形碳（amorphous carbon）和石墨（graphite）。所有这些同素异形体都是由碳原子组成，但是由于碳原子的排列方式不同就导致他们的物质结构和属性大相径庭。
每个碳原子的外围有4个电子。金刚石结构中的每个原子与相邻的4个原子共用电子，形成稳固的正四面体晶体。正是这种简单而又紧密的排列使得金刚石成为地球上最坚硬的物质之一。
金刚石有多硬？
硬度是物质的一项重要属性，通常也能决定该物质的用途，但要定义硬度却很困难。对于矿物质，常用的标识方法是划痕硬度，划痕硬度根据某物质被另一物质划过之后留下的划痕来测量其硬度。
现在有很多方法可以测量物质的硬度，最常用的做法是用某种工具按压待测物质的表面使其产生压痕。物质表面压痕的面积与所用压力的比值就是硬度值。物质越硬，其硬度值也越大。现在比较通用的维氏硬度（Vickers hardness）测试法采用金刚石正四棱锥压头来在物质表面产生压痕。
软钢（mild steel，含碳量较低，硬度稍小的钢）的维氏硬度值约为9GPa，而金刚石则能达到70-100GPa。金刚石的耐磨性能也非常显著，现在地球上约70%的天然金刚石都被用作切割、钻探和打磨工具的耐磨涂层或是用作研磨材料的添加剂。
然而金刚石也并不是完美无缺的，它虽然非常坚硬，但也很不稳定。当它在空气中被加热到800摄氏度以上时，它的化学性质就会发生改变，硬度也会受到影响，并且能和铁发生反应，这使得金刚石并不适合用作切削钢。
这些局限性也促使科学家们越来越重视开发一种全新的、化学性质稳定且具有超强硬度的替代材料。更好的耐磨性意味着这些工具的涂层可以使用更长的时间，且不用更换，这也减少了可能对环境造成污染的冷却剂的使用。目前，科学家们已经找到几种金刚石的潜在替代品。
氮化硼（boron nitride）
氮化硼是一种合成材料，问世于1957年。它和碳家族相似，有多种同素异形体。立方氮化硼（c-BN）的晶体结构与金刚石相似，但它却是由硼原子和氮原子组合而成的。立方氮化硼的化学性质异常稳定，也耐高温，现在常被用作汽车和航天工业机床的耐磨涂层。
而立方氮化硼的维氏硬度值大约在50GPa，充其量也只能算是世界上第二硬的物质。氮化硼的另一种同素异形体纤维矿氮化硼（w-BN）据称比金刚石还要硬18%，但这只是科学家通过理论模拟推测出来的数据。不幸的是，纤维矿氮化硼在自然界非常稀有，而且也很难人工造出足够多的纤维矿氮化硼来科学验证其硬度。
合成金刚石（synthetic diamond）
合成金刚石也大约问世于20世纪50年代。据称，合成金刚石比天然金刚石更硬，因为它有不同的晶体结构。科学家可以利用高温高压改变石墨的晶体结构来制造合成金刚石，但是合成过程缓慢且造价高昂。另一种方法是从加热的碳氢化合物气体（hydrocarbon gases）中取出碳原子，然后对其进行重新组合，从而制造出合成金刚石，但是这种方法中可选用的基质材料（substrate material）却非常有限。
人工合成的金刚石是由许多微晶（crystallites）或尺寸介于几纳米到几微米之间的晶粒（grains）组成的多晶（polycrystalline）集合体。这和用作珠宝首饰的大多数单晶（monocrystals）纯天然金刚石是大不相同的。晶粒尺寸（grain size）越小，就拥有越多的晶界（grain boundaries，晶粒与晶粒之间的接触面叫做晶界），其硬度也越强。最新的研究表明一些合成金刚石的维氏硬度能达到200GPa.
微碳晶石（Q-carbon）
最近，美国北卡罗莱纳州立大学的研究者声称他们发明了一种不同于其它同素异形体的碳物质，据称比金刚石还硬。科学家们利用高能激光脉冲加热非晶碳（non-crystalline）至3700摄氏度，然后迅速冷却或“淬火冷却（quenching）”——这就是Q-carbon名字的来源，就形成了微米大小的金刚石。
科学家们发现微碳晶石比类金刚石镀膜（Diamond-like carbon，一种无定性碳，性质与金刚石类似）还要硬60%。因此他们推测微碳晶石的硬度比金刚石还大，当然这还需要通过实验来验证。微碳晶石还有一些独特的性质，比如它具有磁性，在灯光下会发光。目前，微碳晶石主要被用来在常温常压下制造微小的合成金刚石颗粒。这些纳米金刚石尺寸太小无法做成钻石首饰，但却是切割和抛光工具理想、廉价的涂层材料。
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