Алмаз самое твердое вещество

Топ-10 самых твёрдых материалов на Земле

Алмаз до сего времени остается образцом твёрдости и употребляется в разных методиках измерения механической твёрдости материалов (способы Роквелла, Виккерса, Мооса). Но есть материалы, не только лишь сравнимые по твердости с алмазом, да и превосходящие его по этой характеристике.

В статье журнальчика «Популярная механика» для сопоставления материалов приведена их микротвёрдость по Виккерсу. Сверхтвёрдыми числятся материалы, твёрдость которых превосходит 40 ГПа. Для «эталонного» алмаза этот показатель может колебаться в границах 70 -150 ГПа зависимо от его чистоты и способа получения (обычно, приводится величина твёрдости алмаза 115 ГПа). То же самое относится и к другим материалам: их твёрдость изменяется зависимо от критерий синтеза эталона, а время от времени варьируется и зависимо от направления приложенной к нему нагрузки.

1. Фуллерит (до 310 ГПа)

Полимеризованный фуллерит — самое твёрдое вещество, известное науке сейчас. Он представляет собой молекулярный кристалл — структуру, в узлах которой находятся не отдельные атомы, а целые молекулы (фуллерены — одна из аллотропных модификаций углерода, по форме напоминающая футбольные мячики). Фуллерит оставляет царапинки на алмазной поверхности, как на пластмассе.

Алмаз самое твёрдое вещество

2. Лонсдейлит (до 152 ГПа)

Пророчество существования лонсдейлита фактически совпало по времени с его обнаружением в природе. Эта аллотропная модификация углерода, почти во всем схожая на алмаз, была найдена в метеоритном кратере. Но природный лонсдейлит, который, возможно, образовался из графита, входившего в состав метеора, не отличался рекордной твёрдостью. Только в 2009 году ученые обосновали, что в отсутствии примесей лонсдейлит может быть твёрже алмаза. Высшую твёрдость ему присваивает приблизительно тот же механизм, который действует в случае вюртцитного нитрида бора.

3. Вюртцитный нитрид бора (до 114 ГПа)

Нитрид бора с вюртцитной (плотной гексагональной) кристаллической структурой твёрже, чем кажется: в момент приложения нагрузки он претерпевает локальные структурные модификации, межатомные связи в его решетке перераспределяются, и твёрдость материала растет на 78%.

4. Наноструктурированный кубонит (до 108 ГПа)

Кубический нитрид бора был в первый раз получен в 1957 году Робертом Венторфом (Robert H. Wentorf Jr.) для компании General Electric. В 1969 году компания зарегистрировала марку «Боразон» для кристалла.

В СССР кубический нитрид бора был в первый раз синтезирован в Институте физики высоких давлений Академии наук под управлением академика Л. Ф. Верещагина. С 1965 года эльбор синтезировался в промышленных масштабах по технологии Абразивного завода «Ильич» (Ленинград).

САМОЕ ТВЕРДОЕ ВЕЩЕСТВО ЗА 5000 ДОЛЛАРОВ!

Уникальные свойства кубонита (также известного под названиями эльбора, боразона и кингсонгита) широко используются в промышленности. Твёрдость кубонита (кубической модификации нитрида бора) близка к алмазной и составляет 80−90 ГПа. В силу закона Холла-Петча, уменьшение размера кристаллических зерен ведет к увеличению твёрдости, и ученые доказали, что наноструктурирование кубонита способно увеличить его твёрдость до 108 ГПа.

5. Нитрид углерода-бора (до 76 ГПа)

Атомы азота, углерода и бора близки по размерам. Углерод и бор образуют схожие кристаллические структуры, отличающиеся высокой твёрдостью. Ученые предпринимают попытки синтезировать сверхтвёрдые материалы, состоящие из атомов всех трех типов — и не безуспешно: например, кубическая модификация BC₂N демонстрирует твёрдость 76 Гпа.

6. Карбид бора (до 72 ГПа)

Карбид бора — распространенный в современной промышленности материал — был получен еще в позапрошлом веке. Его микротвёрдость (49 ГПа) может быть значительно повышена введением в кристаллическую решетку ионов аргона — до 72 ГПа.

7. Бор-углерод-кремний (до 70 ГПа)

Сплавы на основе системы бор-углерод-кремний чрезвычайно устойчивы к химическому воздействию и высокой температуры, они отличаются высокой микротвёрдостью, достигающей 70 ГПа (для B₄C-B₄Si)

8. Борид магния-алюминия (до 51 ГПа)

Сплав бора, магния и алюминия известен своим низким коэффициентом трения скольжения (если бы этот материал не был так дорог, его можно было бы использовать для изготовления машин и механизмов, работающих без смазки) и высокой твёрдостью. Тонкие пленки AlMgB₁₄, полученные методомимпульсного лазерного напыления, демонстрируют микротвёрдость до 51 ГПа.

9. Диборид рения (до 48 ГПа)

Механические свойства соединения бора и рения весьма необычны: из-за послойного чередования различных атомов диборид рения анизотропен, т. е.при измерении твёрдости по различным кристаллографическим плоскостям получаются разные значения. При испытаниях под малой нагрузкой диборид рения демонстрирует твёрдость 48 ГПа, однако при увеличении нагрузки значение твёрдости резко падает, устанавливаясь на уровне примерно 22 ГПа. Поэтому некоторые исследователи сомневаются, нужно ли причислять диборид рения к сверхтвёрдым материалам.

10. Монокристаллический субоксид бора (до 45 ГПа)

Субоксид бора, содержащий «недостаточное» количество атомов кислорода, явно демонстрирует свойства керамических материалов: высокую прочность, химическую инертность, устойчивость к истиранию при относительно невысокой плотности. Субоксид бора способен образовывать зерна в форме икосаэдров, которые не являются ни отдельными кристаллами, ни квазикристаллами — это кристаллы-двойники, стоящие из 20 «сросшихся» кристаллов-тетраэдров. Твёрдость монокристаллов субоксида бора составляет 45 ГПа.

Источник

Алмаз — самое твердое вещество на земле

Алмаз. Это свет солнца, сгустившийся в земле и охлажденный временем, он играет всеми цветами радуги, но сам остается прозрачным, словно капля.
А. Куприн.

Алмаз — искаженное греческое слово «адамас», что значит «непреодолимый», «непоборимый», «непобедимый». Эти названия, несомненно, связаны с исключительной твердостью алмаза и его устойчивостью к кислотам. Алмаз — самое твердое вещество на земле.

Большинство алмазов встречается в виде отдельных целых кристаллов разной величины и формы. Наиболее распространенная форма природных кристаллов — это восьмигранник (октаэдр). Реже встречаются алмазы с двенадцатью ромбовидными гранями Иногда попадается алмаз, внутри которого сидит другой алмаз (алмаз в алмазе). Кристаллы алмаза в большинстве случаев бесцветные. Реже они имеют светло-зеленоватую, светло-голубоватую или светло-розовую окраску.

Помимо этого, встречаются микрокристаллические и скрытокристаллические агрегаты, состоящие из мельчайших зерен алмазов. Эти разновидности имеют особые названия; борт, баллас и карбонадо. Борт — зернистые и неправильные сростки кристалликов; иногда к борту относят также алмазы с различными дефектами. Баллас — шаровидные агрегаты мутно-белого цвета радиальнолучистого строения. Карбонадо — тонкозернистые и плотные агрегаты буровато-черного цвета.

Крупные алмазы встречаются в природе очень редко. Находка такого алмаза — большое событие. История многих крупных камней богата приключениями, иногда трагическими. Самый крупный алмаз в мире весом около 0,6 кг — «Куллинан» был найден в 1905 году на руднике «Премьер» в Южной Африке. И что удивительно: этот огромный камень оказался осколком какого-то сверхгигантского алмаза!

Алмазы, непригодные для огранки, то есть те, которые не могут стать бриллиантами, используются для технических нужд. Из них изготовляют инструменты — буровые коронки, резцы, сверла, волоки (фильеры). Волоки — алмазные пластинки с тончайшими отверстиями, через которые протягиваются проволоки до одной тысячной миллиметра в диаметре. Алмазные пластинки чрезвычайно долговечны. Один алмазный волок заменяет почти четыреста твердосплавных волок, к тому же скорость изготовления проволоки на алмазном волоке в два раза выше, чем на твердосплавном. Вот в чем преимущество алмазной аппаратуры.

Любопытно, что необычайная твердость алмазов привлекает не только людей, но и птиц.

В прошлом столетии на рудниках Южной Африки считалось выгодным разводить домашнюю птицу и ручных страусов, которые, копаясь в отвалах, разыскивали и проглатывали алмазы и могли принести владельцу немалый доход. У одного голубя, убитого на южноафриканских алмазных складах, в зобу было обнаружено 43 алмаза общим весом 5,5 карата. Известен случай, когда «снесла» алмаз уральская курица. Это было во второй половине прошлого столетия.

Зачем птицы глотают алмазы? Затем же, зачем им вообще нужны камушки — для перетирания грубых кормов. Птиц особенно привлекают твердые блестящие камни. Например, кварц. Мягкие камни в желудке быстро перетираются. Алмазы, вероятно, просто идеальные жернова, поэтому птицы их охотно склевывают.

Россыпные месторождения алмазов специалисты называют вторичными, потому что они возникают за счет разрушения первичных, или коренных месторождений. Оказалось, что коренные алмазоносные породы Южной Африки — это трубки, или диатремы (диатрема — от греческого слова отверстие, дыра) — вертикально идущие в глубь земли каналы, которые образовались в результате взрывов вулканических газов в земной коре.

Первую трубку назвали Кимберли, что означает «большая дыра», а породу, в которой родились алмазы,— кимберлитом. Близ этой трубки впоследствии вырос знаменитый город Кимберли.

При выветривании кимберлита возникает рыхлая порода, известная под названием. желтая, голубая или красная земля. Так, в трубке Премьер до глубины 12 м желтая земля, под ней — тонкий горизонт красной земли, которая с глубиной переходит в голубую. Под голубой землей залегает черный, плотный, еще не выветрившийся кимберлит.

Размеры трубок по площади бывают разные: 5, 10 и до 100 гектаров. Трубку Кимберли разрабатывали открытым способом. В последнее время разработка алмазов на рудниках в районе Кимберли ведется преимущественно подземным способом, на глубинах 600—800 и даже больше 1000 метров.

В 1970 году решили промыть старые отвалы трубки Кимберли. При этом извлекли 214,6 тысячи каратов алмазов.

Большинство южноафриканских трубок возникло в позднем меловом периоде — примерно 100 миллионов лет назад. С тех же пор началось выветривание кимберлитов и размыв кимберлитовых трубок.

Кимберлитовые трубки, как предполагают некоторые исследователи, были размыты с течением веков на значительную глубину — так образовались аллювиальные россыпи (в отложениях русловых водных потоков), часть алмазов вынесло в Атлантический океан — там сформировались морские россыпи.

Морские россыпи, возникшие под действием прибоя, приливо-отливных и морских течений, расположены в литоральной (в полосе приливов и отливов) и сублиторальной (часть дна — до глубины примерно 200 метров) зонах Атлантического океана, а также прибрежных морских террасах.

Алмазные россыпи морских террас расположены за сотни километров от алмазоносных трубок; других коренных алмазоносных пород поблизости нет. И это казалось очень странным. Обычно алмазы оседают вблизи коренного источника. Детальное исследование океанской алмазоносной провинции показало, что алмазы все же принесены сюда издалека: из центральной части Южной Африки по долине Оранжевой и по другим долинам. Но принесены они не обычными водными потоками, а грязекаменными, или селевыми. Один специалист проследил путь алмазов вдоль долины Оранжевой от трубок центральной части Южной Африки до Атлантического океана.

Алмазы океанских россыпей сходны с алмазами из трубок Дютойтспен и Вессельтон. Однако это не общее правило. Многие алмазы из россыпей морских террас отличаются от алмазов из трубок.

По-видимому, эти алмазы были принесены из докембрийских конгломератов Витватерсранда, расположенных в том же районе, где трубка Премьер и другие. Витватерсранд — наиболее крупное в мире золото-урановое месторождение, из которого с 1867 по 1968 год извлечено более 26 тысяч тонн мелкого золота. Алмазы же добываются попутно. Они характеризуются таким же отчетливым зеленоватым оттенком, который характерен для алмазов морских террас. Предполагают, что зеленоватая окраска (при огранке она пропадает) алмазов месторождения Витватерсранд — результат влияния на алмазы радиоактивного излучения уранинита и других урановых минералов.

Кроме того, известны неалмазоносные кимберлиты в районе Гибеона в Намибии. Однако не исключено, что на этой территории есть где-то алмазоносные трубки, скрытые под эоловыми песками. Они также могли забросить в океан какое-то количество алмазов.

Вынос алмазов в океан из ряда месторождений селевыми потоками (когда алмазы мало теряются в пути) в сочетании с сильным прибойным потоком и волнением (успевавшими перерабатывать приносимый в больших количествах обломочный материал) и обусловили высокие концентрации алмазов в древних морских террасах. И вот что чрезвычайно интересно: алмазы морских террас Южной Африки по ряду признаков (по форме, окраске и т. д.) сходны с алмазами Бразилии. Эти территории разделены тысячекилометровым пространством Атлантического океана, тем не менее характеристики камней совпадают.

Похожие публикации:

Алмазы — кусочки света
Кто в здравом уме и твёрдой памяти подумает, глядя на кусок угля, что этот кусок весом в килограмм-два может стоить десятки тысяч каких-нибудь валютных единиц. А между тем, это так. Может. И десятки, и сотни, и миллионы. Если бы этот кусок не застрял бы во время геологических игрищ планеты на жалкой глубине в несколько сот метров, а опустился бы где-то километров на сто ниже, туда, где нагрето всё до полутора-двух ты.

Янтарь. Описание и свойства
О происхождении янтаря сложено много легенд. Чем только не предстает в них янтарь — слезами дочерей бога Солнца — Гелиоса; морской пеной, застывшей в солнечных лучах; нефтью, окаменевшей под действием моря; затвердевшим жиром неведомых рыб! Все эти предания несмотря на то, что родились они в разных странах и в разные эпохи, имеют в своей основе нечто общее; они говорят о янтаре как о каком-то застывшем веществе. Наук.

Из истории камнерезной промышленности
Основатель знаменитой Колыванской шлифовальной фабрики — автор проекта, руководитель строительства, а потом и многих уникальных художественных работ, выполненных там,— Филипп Васильевич Стрижков. Это был мастер из народа, умелец, новатор, один из первых на Руси механизаторов камнерезной промышленности. В 1793 году «каменодельный подмастерье» Ф. В. Стрижков подал управляющему алтайского Локтевского завода проект, оза.

Кремень — камень огня и коварства
Кремень, вероятно, был первым камнем, который человек взял себе на службу. С кремнем во многом связана история техники, особенно военной. Ножи и топоры человека каменного века были сделаны из кремня. Наконечники для стрел — тоже из кремня. С помощью кремня древний человек высекал огонь для костра. В течение примерно пяти веков кремень давал искру для порохового заряда в пушках, в солдатских ружьях. Вот уж где он был .

Изготовление мозаики из камня
Рассмотрим некоторые несложные приемы, которыми можно воспользоваться при изготовлении мозаики из камня. Творчество скульпторов, архитекторов, мастеров прикладного искусства — это своего рода летопись культуры, запечатленная, как говорят художники, в «материале». Именно поэтому материал, которым пользуется мастер, очень часто определяет не только характер будущего произведения, но и его сохранность и долговечность.

Источник

Какой самый твердый материал на Земле?

Алмаз оценивается по шкале твердости Мооса на 10 баллов, что говорит о том, что это самый твердый природный материал, когда он подвергается царапинам. Однако, по прогнозам, лонсдейлит, вещество, обнаруженное в метеоритах, будет еще более твердым, чем алмаз.

Спросите любого любителя науки: «какой самый твердый материал?» — и он, несомненно, ответит: «Алмаз».

На протяжении десятилетий люди использовали безупречную твердость алмаза для интенсивной резки. Кроме того, учитывая его способность красиво взаимодействовать со светом, бриллианты являются крайне желанным украшением для женщин. Но действительно ли алмаз — самый твердый материал на Земле?

Ну, почти… ученые обнаружили потенциального соперника, который, как полагают, даже тверже, чем алмаз.

Самое твердое вещество природного происхождения на нашей планете

Когда дело доходит до природных твердых веществ, алмаз является явным победителем. Благодаря своей компактной структуре его очень трудно превзойти по твердости. Теперь возникает вопрос… как мы измеряем твердость?

Измерение твердости

В материаловедении очень важна оценка твердости материала. Однако определить твердость не так-то просто. Таким образом, твердость можно измерить по-разному, в зависимости от контекста и применимости.

Шкала твердости Мооса

Одна из наиболее часто используемых шкал твердости — шкала твердости Мооса, разработанная немецким минералогом Фридрихом Моосом в девятнадцатом веке. По этой шкале твердость — это мера сопротивления, проявляемого одним материалом при царапании другим материалом. Шкала твердости Мооса варьируется от 0 до 10, где 10 означает самую твердую (наименее подверженную царапинам), а 0 — наименьшую твердость.

Шкала твердости минералов Мооса.

Алмаз получил 10 баллов по этой шкале, что ясно указывает на то, что это самый твердый натуральный материал, когда его подвергают царапинам. Чтобы понять, насколько хорош алмаз, рассмотрим сталь, которая известна своей твердостью и имеет только 4,5 балла по этой шкале!

Так вот, измерение твердости по стойкости вещества к царапинам одобрялось далеко не всеми. Таким образом, ученые начали искать альтернативный метод измерения твердости. Была разработана еще одна методика определения твердости, в которой для оценки твердости использовался индентор.

Тест твердости по Виккерсу

Один из самых известных тестов для определения твердости с использованием индентора — это тест твердости по Виккерсу. При этом методе испытания на твердость индентор в форме пирамиды прижимается к материалу, твердость которого необходимо оценить. На данный материал в течение определенного времени прилагается определенное усилие. После этого индентора измеряется степень вмятины на материале. Это делается путём измерения площади поверхности вмятины, нанесённой индентором на материал. Здесь снова было установлено, что алмаз является самым твердым природным материалом на Земле.

Что делает бриллиант таким твердым?

В этот момент вы можете спросить себя, что делает бриллиант таким твердым? Ответ кроется в молекулярной структуре этого блестящего элемента. Алмаз — это аллотроп углерода, состоящий из пяти атомов углерода, которые разделяют электроны друг с другом в структуре тетраэдрической решетки. Ковалентная связь между этими атомами углерода чрезвычайно прочна, и ее очень трудно разорвать при комнатной температуре.

Алмаз как тетраэдрическая структура углерода.

Из-за этой прочной ковалентной связи у алмазов нет свободных электронов, что делает их плохим проводником электричества, но отличным проводником тепла. Фактически, алмаз примерно в пять раз лучше по теплопроводности, чем медь. Благодаря своей фантастической теплопроводности алмазы часто присутствуют в электрических деталях, например, в радиаторах.

Алмазы не непобедимы.

Прочитав это, вы можете почувствовать, что бриллианты непобедимы, но на самом деле это не так. Алмаз становится уязвимым при очень высоких температурах. Когда вы нагреваете алмаз выше 800 °C, его химические и физические свойства больше не остаются неизменными. Нарушение характерной прочности алмаза. Они начинают химически реагировать с железом, что делает алмаз нежелательным для обработки стали. Характерная твердость алмаза нарушается. Они начинают химически реагировать с железом, что делает алмаз нежелательным для обработки стали.

Поэтому ученые и исследователи давно ищут сверхтвердый материал, обладающий лучшей химической стабильностью. В 2009 году исследователи, работавшие в сотрудничестве из Шанхайского университета Цзяо Тонг и Университета Невады, заявили, что нашли два материала, которые могут победить алмаз в его собственной игре!

Две предложенные потенциальные претендентки на самое твёрдое вещество были: Нитрид бора вюрцита (w-BN) и Лонсдейлит.

Вюрцит нитрид бора (w-BN)

Вюрцит нитрид бора (w-BN) имеет структуру, аналогичную структуре алмаза, но он состоит из атомов бора и азота, а также углерода. Вюрцит нитрид бора чрезвычайно редок и может быть обнаружен только после определенного типа извержения вулкана. Проведенное исследователями в 2009 году моделирование гексагональной структуры w-BN показало, что она на 18% тверже стали. Кроме того, w-BN химически более стабилен, чем алмаз при высоких температурах.

Лонсдейлит

Лонсдейлит состоит только из атомов углерода, как и алмаз, хотя и с другой структурой. И угадайте, что… лонсдейлит даже сильнее, чем w-BN! Интересно, что лонсдейлит — это космическое вещество, которое получается, когда богатый графитом метеорит ударяется о Землю. Моделирование вдавливания показало, что лонсдейлит на 58% прочнее алмаза, что делает лонсдейлит самым твердым веществом на Земле.

Подождите, есть загвоздка .

Однако в этих утверждениях о том, что w-BN и лонсдейлит сильнее алмаза, есть загвоздка. Эти утверждения основаны на программе моделирования, запущенной на компьютере, а не на физической проверке. Поскольку эти элементы чрезвычайно трудно найти, они еще не прошли физических испытаний для определения их твердости.

Тем не менее их моделирование предполагает, что эти более твердые, чем алмаз, материалы обладают хорошей термической и химической стабильностью; если мы сможем синтетически производить их в достаточно больших количествах, они могут оказаться переломными. Их можно было использовать как мощные фрезы, помещая их поверх других режущих инструментов. Кроме того, их стабильность при более высоких температурах сделала бы их полезными в космических полетах к Венере или Меркурию, которые имеют обжигающе высокие температуры.

Что ж, алмаз может теоретически потерять свою корону самого твердого материала, но он всегда останется королем драгоценных камней. Более того, утверждение о том, что лонсдейлит является самым твердым веществом, еще не подтверждено физически.

Источник