Чем объяснить твердость алмазов

Твердость алмаза: основные влияющие факторы и определение

Здравствуйте, дорогие читатели. Как уже неоднократно отмечалось в наших статьях, алмаз имеет самую высокую твердость среди других минералов. Но какова же твердость алмаза? С чем она сравнивается и кто первым установил этот удивительный факт?

Вообще твердость – это такая величина, благодаря которой можно узнать сопротивление твердого вещества при попытках его повредить другим веществом. Для этого чаще всего экспериментальный образец царапают. Понятное дело, после такой «проверки» экспериментальный образец безнадежно испорчен, так что подобные процедуры проводят только в самых необходимых случаях.

Открытие твердости алмаза

Еще в начале 19 века (а именно в 1911 году) известный и талантливый ученый в области минералогии Моос Фридрих впервые разработал специальную шкалу для определения твердости, названную в его честь. По этой шкале этот параметр минералов определяется при помощи коэффициента твердости, который распределяется от 1 до 10. Очевидно, что у алмаза данный показатель составляет все 10 баллов. Хотя настоящую твердость данная шакала не определяет, однако является важным показателем.

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПРЕСС ПРОТИВ АЛМАЗА 1600$

За основу своей шкалы Моос взял самые доступные на тот момент минералы и сравнил их между собой путем царапания.

Есть ли минерал тверже алмаза?

На данный момент ученые экспериментируют в области создания камня или минерала, способного превзойти алмаз по своей прочности. На сегодня удалось, например, сделать карборунд. Это материал тверже корунда с твердостью 9, но все равно мягче алмаза. Это был самый твердый после алмаза минерал.

Сплавы сталей на сегодняшний момент также значительно отстают от рассматриваемого камня. Их твердости не превосходят 7,5 по шкале Мооса. Однако даже при таких условиях в некоторых производствах удается заменить алмаз на более дешевые сплавы сталей (для обработки различных деталей и т.п.).

Однако даже при этом факте прочность железа все равно определяют с помощью алмазных пластин, которыми врезаются в поверхность сплава. По создаваемой вмятине и определяют искомый параметр.

Но эксперименты продолжаются. Немногие слышали, но на данный момент есть так называемый лонсдейлит. Он был синтезирован учеными еще в 20 веке, хотя и встречается также в метеоритных останках и т.п. Этот материал (как ранее заявлялось) в полтора раза прочнее алмаза. Максимальное давление, выдерживаемое этой алмазной модификацией, якобы также на 55 ГПа больше.

Но по факту это не так, хотя и есть способы сделать его даже в два раза прочнее алмаза.

Например, при нанокоструированни, можно создавать навнополикристаллы или нанокомпозиты. В результате таких работ как раз и можно добиться ранее упоминаемых результатов. Производители уже готовы предложить такие кристаллы размером около кубического сантиметра.

Однако тут есть и ложка дегтя – стоимость производства лонсдейлита настолько огромна, что практически нигде в наше время не оправдывается экономически. Происходит это из-за трудностей получения вещества, названного в честь британского кристаллографа Лонсдейл Кейтлин. Как минимум, шлифовать лонсдейлит практически нереально в силу его исключительной твердости (если говорить о предварительной специальной обработке, упоминаемой ранее).

Связанные с твердостью алмаза факты

1. Как все мы знаем, графит и его родственник алмаз состоят из одного и того же уникального элемента – углерода. Но при этом минерал получил оценку 10 из 10 по шкале Мооса, а графит – всего лишь 1. Секрет такого распределения прост – все дело в структуре камня, его кристаллической решетке. Ведь стоит атомам распределиться несколько иначе, как мы получим некое вещество с абсолютно другими значениями твердости и других параметров.
2. Для графита характерна слоистая структура, а для алмаза кубическая.
3. Помимо твердости, в зависимости от вида связей атомов между самими собой, меняются также блеск, пластичность, даже внешний вид и многое другое. Тот же графит, например, обладает очень слабыми межатомарными связями.
4. Существует несколько предположений насчет названия камня, о свойствах которого уже очень давно знали наши предки. По одному из них «алмаз» происходит от греческого «адамас» («нерушимый»). По другой версии, от персидского «твердый» («ал-ма»). Ну а третья и вовсе отсылает нас к легенде об Элайзе, которая могла лечить людей от любых болезней, но своего возлюбленного спасти не успела. Из ее слез и появились алмазы, образованные от имени девушки.

Таким образом, на Земле на данный момент крайне трудно отыскать что-то столь же твердое как алмаз. Однако уже сейчас производятся материалы, превосходящие камень по своей прочности, способности к окислению и температурной устойчивости.

На этом мы прощаемся с вами, но надеемся еще не раз встретить вас на страницах ресурса. До скорых встреч, друзья.

Источник

АЛМАЗ и БРИЛЛИАНТ

Удивительный минерал, известен человечеству уже более 5 тысячелетий.
При описании алмаза всегда используют эпитет превосходной степени «самый» — самый твёрдый, самый блестящий, самый редкий, самый дорогой и прочее-прочее.
Алмаз прочно удерживает первенство в ряду всех драгоценных камней с тех пор, как его искусно огранённые формы, известные как бриллианты, выявили всё совершенство свойств этого минерала.
Именно поэтому посвящаем волшебному камню отдельное описание.
Алмаз сочетает исключительную твёрдость, высокое светопреломление, сильную дисперсию и яркий блеск.
« Сырой » алмаз часто имеет непрезентабельный, невзрачный вид и непривлекателен для глаз.
Именно поэтому не трудно понять, почему персы ещё в XIII веке располагали алмаз в ряду драгоценных камней после жемчуга, изумруда и рубина.

от древне-греческого: ἀδάμας [adamas] — «неодолимый», «несокрушимый»
через арабабский ألماس [’almās]
и турецкого elmas

В Древней Индии алмазам приписывал фантастические магические свойства, поэтому все сведения об их добыче оберегали, тщательно скрывали.
В Европу алмазы попали в V — VI веках до нашей эры. Плиний Старший в своей «Естественной истории» описал известные в те времена свойства алмазов.
Посетители Британского Национального музея могут увидеть бронзовую статуэтку, найденную в Древней Греции, с двумя неограненными алмазами вместо глаз.
На Руси слово алмаз впервые было упомянуто в путевых записках под названием «Хождение за три моря» тверского купца Афанасия Никитина, жившего в середине XV века. В «Лапидариях» (XI — XIII века, популярный жанр литературы эпохи Средневековья и Возрождения) алмазы были разделены на женские и мужские.
Древние жители думали, что алмаз вселяет в своего владельца дополнительную силу, твёрдость и мужество, защищает от враждебных сил, усиливает остроту ума, укрощает ярость и сластолюбие, дает воздержание и целомудрие.
Персы в XVI веке считали, что долгое и пристальное созерцание прозрачного алмаза разгоняет хандру, снимает с глаз пелену мрака, делает человека проницательнее и настраивает на весёлый нрав. А алмаз, прикреплённый к руке женщины, помогает разрешиться от бремени.
Также в те далёкие времена люди верили, что из двух воюющих сторон побеждает та, у которой алмаз больше.
Ослепляющая красота алмаза открывается только тогда, когда камень огранён в форму бриллианта. Название «алмаз» происходит от «адамас» — так называли минерал, который, как пологали во времена Плиния, превосходил по качеству другие камни.
Однако определение «адамас» Плиний часто применял для обозначения других минералов, помимо несравненного камня, который со времён Средневековья также известен как «diamond».
Название «diamond» происходит от латинского слова «adamantem» и его распространённой формы «adiamentem». Слово «борт» происходит, вероятнее всего, от старофранцузского «bord» или «bort», что означает «неполноценный». «Карбонадо» — португальское слово, означающее «углистый», употреблялось для обозначения плотных, зернистых разновидностей алмаза, встречающихся в Бразилии.

Свойства алмазов, диагностика

В настоящее время этот замечательный минерал изучен досконально.
Из всех драгоценных камней алмаз имеет самый простой химический состав.
Алмаз на 96-99.8% состоит из углерода. Алмаз является кристаллическим углеродом. В его кристаллической решётке атомы углерода прочно объединены силами ковалентных связей. Каждый атом соединён с четырьмя окружающими его атомами.
Кристаллы алмаза разнообразны, помимо плоскогранных, распространены кривогранные формы.
В качестве примесей алмаза, определяющих цвет и оттенок, в нём установлены в различных количествах до 0.3% более 25 элементов таблицы Менделеева, такие как: (водород) H, (алюминий) Al, (кремний) Si, (золото) Au, (серебро) Ag, (титан) Ti, (свинец) Pb и другие. В алмазе часто присутствуют примеси, в основном — окись железа и кремнезём со следами извести и магнезии, доля примесей не превышает 5%.
Алмаз бесцветен, либо, что бывает редко, обладает цветными оттенками разной степени интенсивности.
Совершенно бесцветные алмазы – большая редкость. Как правило, у них наблюдается какой-либо оттенок (нацвет). Алмаз может быть окрашен в жёлтоватые, сероватые, зеленоватые, сиреневатые и коричневые тона.
В основном встречаются алмазы, имеющие интенсивную окраску жёлтого, оранжевого, синего, голубого, розового, коричневого, серого, молочно-белого и чёрного цветов.
Именно наличие окиси железа объясняет желтоватый оттенок. Алмаз очень стабилен при нормальных условиях, но, находясь в вакууме или в инертном газе при повышенных температурах, переходит в графит.
Борт (bort или boart) представляет собой скрытокристаллическую форму, в которой кристаллы алмаза беспорядочно распределены. Этот термин используется также для обозначения кристаллов алмазов и их обломков, не находящих применения в ювелирном деле. Такие кристаллы измельчаются и используются при полировке.
Карбонаро (чёрный алмаз), как и bort, является скрытокристаллической разновидностью алмаза, неоднородная масса еще более мелких кристаллов. Используется при производстве режущих инструментов.

Твёрдость алмаза

Специалисты считают алмаз уникальным минералом, обладающим такими свойствами, которых нет у других веществ. Человеку пока неизвестны природные или искусственные материалы, более твердые, чем алмаз.
Высокая твердость и износостойкость алмаза обусловливает его широкое применение в науке и технике.
Например, на шкале твердости минералов алмаз является эталоном с самым высоким показателем, твёрдость алмаза равна 10, а самая высокая из всех минералов микротвёрдость находится в диапазоне от 93 157 до 98 648 Мпа. При этом у алмаза наблюдается анизотропия твёрдости. Это свойство проявляется так, что в разных направлениях и на различных гранях твёрдость кристалла отличается. Это свойство алмаза используется при его обработке.
Износостойкость алмаза колеблется в широких диапазонах, среднее ее значение в несколько раз превышает износостойкость известных абразивных материалов, таких как карбиды кремния и бора.

В популярной литературе можно встретить такой «метод» для отличия бриллианта от других камней (по твердости): бриллиант оставляет царапину на стекле, в то время как все остальные камни стекло не царапают.
В действительности же некоторые имитации бриллианта (в том числе самая распространенная – фианит) легко царапают стекло. Твердость оконного стекла равна 6, кварца – 7, топаза – 8, фианита – 8,5, бесцветного корунда (лейкосапфира) – 9, искусственного муассанита – 9,5. Поэтому тест со стеклом – не очень удачный диагностический метод. Теоретически вместо стекла можно воспользоваться другим более твердым материалом – например, корундом или муассанитом, твердость которых около 9. Но важно учесть, что в этом случае на не бриллиантах останутся царапины.
В итоге твёрдость алмаза, которой он действительно отличается от всех других камней, геммологи обычно не могут использовать как диагностическое свойство. Оно может служить только косвенным признаком: благодаря высокой твердости бриллиант не теряет блеска и игры с годами, поскольку его полировку сложно испортить. Нужно только время от времени очищать камень от микрочастиц пыли и жира.
При этом другие более мягкие имитации (стекло, например) с годами истираются: их грани покрываются царапинами, а ребра завальцовываются («затираются»).

Абразивная способность любого материала определяется отношением массы сошлифованного материала к массе израсходованного для этого абразива.
Если принять за единицу абразивную способность алмаза, то абразивная способность карбида кремния составит 0.2-0.3, а карбида бора – 0.5-0.6.

Электро и теплопроводность алмаза

Алмаз обладает высокой теплопроводностью. В основном, алмазы не проводят электричество,
исключение составляют голубые алмазы, содержащие бор.

Ювелиры часто используют для диагностики бриллиантов даймонд-тестер (даймонд-детектор). Их работа основана на измерении теплопроводности камня. Они позволяют отличить бриллиант от всех имитаций, за исключением муассанита (поскольку у последнего также очень высокая теплопроводность).
Различить между собой бриллиант и муассанит позволяет муассанит-тестер (или дуотестер), помимо теплопроводности измеряющие электропроводность:
в отличие от проводящего муассанита, алмаз электричество не проводит!

Теплопроводность алмаза может меняется под воздействием температуры.

Плотность алмаза

Плотность алмаза составляет 3.515 грамма на кубический сантиметр.
В природе попадаются алмазы, у которых находят существенные отклонения от этой величины, обусловленные наличием трещин, пор, различных включений.
Плотность прозрачных с наличием зеленоватых пятен алмазов или дымчато-коричневых немного ниже, чем у жёлтых или бесцветных алмазов. Но эти колебания плотности очень незначительны.
Однако в качестве диагностического признака у плотности есть важное ограничение: измерить плотность можно только для неоправленного камня.

Рассмотренные выше свойства – твердость, теплопроводность, электропроводность, плотность – условно относят к физическим. Другая группа свойств камней называется оптическими (например, показатель преломления, дисперсия, цвет).

Показатель преломления алмаза

Показатель преломления света в алмазе высокий – 2,42.
Он позволяет находить такие формы и пропорции огранки бриллианта, при которых лучи света, входя в камень со стороны короны, переотражаются гранями павильона и выходят обратно снова через грани короны.
В результате наблюдатель видит в бриллианте вспышки света, даже когда камень находится в изделии, и со стороны павильона свет в него не поступает. Если такую же форму огранки придать другому камню с близким к алмазу показателем преломления, лучи будут идти тем же путем, поэтому мы не можем отличить ограненный бриллиант от фианита ни по яркости, ни по рисунку отражений граней.
Если же стандартной бриллиантовой огранкой огранить бесцветный сапфир (его показатель преломления 1,76) или горный хрусталь (показатель преломления 1,54), то их можно отличить от бриллианта по внешнему виду: у этих камней по сравнению с бриллиантом яркость меньше, через грани павильона в лупу можно видеть фон, а рисунок отражений граней отличается от такового в бриллианте. Имитирующие бриллиант стекла могут иметь разные показатели преломления, и чем выше показатель, тем больше такое стекло внешне похоже на бриллиант. « Стразы » – старинное название имитаций бриллианта из стекла, которые за счет примесей обычно имеют высокий показатель преломления.

Дисперсия алмаза

Дисперсия света отвечает за «игру» камня. Для алмаза дисперсия численно равна 0,044, и по сравнению с другими камнями это высокая дисперсия, поэтому в бриллианте мы часто можем видеть не только белые, но и цветные вспышки света.
Высокий показатель преломления (2.417) объясняет яркий блеск алмаза. Для лучей света разной длины (цвета) показатель преломления алмаза неодинаков: для красного света – 2.402, для жёлтого – 2.417, для зеленого – 2.427, для фиолетового — 2.465.
Именно высокой дисперсией объясняется « игра » ограненных алмазов – бриллиантов. Дисперсия фианита и муассанита близка по значению к дисперсии алмаза, поэтому по частоте проявления цветных вспышек мы не можем отличить эти материалы от алмаза.
Некоторые имитации – например, титанат стронция (фабулит) или синтетический рутил, – имеют более высокую дисперсию и потому проявляют больше цветных вспышек, чем бриллиант.
С другой стороны, камни с низкой дисперсией (кварц, топаз, лейкосапфир) мы можем отличить от бриллианта по отсутствию цветных вспышек.

Цвет алмаза

По цвету все алмазы условно разделяют на две группы.
Первая группа – это алмазы бесцветные или околобесцветные (с цветовыми оттенками, особенно часто – желтоватыми и коричневатыми), среди них наиболее ценными являются камни бесцветные, не обладающие цветными оттенками).
Другая группа – это цветные алмазы.
Некоторые имитации алмаза, например, фианит, можно выращивать разных цветов, в том числе и таких, которых не бывает у алмаза.
В этом случае фианит является имитацией других камней, например, зеленый – изумруда, фиолетовый – аметиста. С другой стороны, природный цветной камень может быть имитацией цветного алмаза, например, коричневый циркон могут выдавать за коричневый бриллиант.
Чёрный искусственный муассанит используют как имитацию черных алмазов.
В отличие от остальных свойств, цвет в неодинаковой мере присущ разным алмазам. То есть все алмазы имеют одинаковую твердость и плотность, но разные алмазы могут иметь разный цвет, в зависимости от содержания в них окрашивающих примесей. Изредка можно встретить алмазы или бриллианты с заметным неравномерным распределением окраски.
Определённой привлекательностью обладают алмазы коричневато-жёлтого цвета. Обычны также камни зеленоватого оттенка, хотя этот цвет редко присутствует по всему объему алмаза. Нередки и коричневые алмазы, а розовые, рубиново-красные, розовато-лиловые и синие алмазы редки.
Окраска алмазов связана с наличием различных примесей в структуре кристаллов, иногда – с включениями ряда минералов. Наиболее распространена окраска алмазов жёлтого цвета, обусловленная наличием атомов азота. Зелёные пятна пигментации , окрашивающие поверхность алмазов в зеленоватый или голубоватый цвет, появляются в результате природного радиоактивного облучения. При нагревании они становятся жёлтыми. Жёлтые пятна пигментации наблюдаются на алмазах из древних россыпей.
Встречаются алмазы с синей и голубой окраской, обусловленной вхождением в структуру алмаза бора.
Сапфирово-синие алмазы чрезвычайно редки и стоят весьма дорого.
Очень распространены дымчато-коричневые и реже розовато-сиреневые алмазы, окраска которых связана с дефектами на плоскостях скольжения.
Молочно-белая окраска объясняется наличием мелкодисперсных включений граната во внешней части алмаза.
Серая, чёрная окраска алмазов зависит от концентрации включений графита.
Для обозначения алмазов с чёрными пятнышками вкраплений используют определение « пике » (от французкого слова «pique» — исколотый, пятнистый от укусов насекомых).

Алмаз становится синим, сине-зелёным, а при увеличении длительности облучения – темно-зелёным и чёрным.
В зависимости от свойств алмазы делят на ювелирные и технические. Технические алмазы низкосортны. К ювелирным относят прозрачные алмазы (бесцветные или с нацветом) с небольшим количеством дефектов.
Именно ювелирные алмазы после огранки превращаются в бриллианты .

Источник

Твердость и прочность алмаза: основные физические характеристики

Алмаз – минерал, выдающийся во всех отношениях. Как неказистая куколка (алмаз-самородок действительно внешне не представляет ничего особенного), после огранки он превращается в восхитительную бабочку – бриллиант, стоимостью в сотни, тысячи и даже миллионы долларов.

Но не только неземное сияние и фантастическая цена выделяют этот камень среди собратьев. Алмаз – самый твердый из всех минералов, что определяет широчайшую сферу его применения. Не каждому алмазу дано превратиться в бриллиант – этой чести достойны лишь самые чистые и крупные камни.

Но даже мелкий и мутный самородок не будет выброшен за ненадобностью, а найдет применение в часовой или ядерной промышленности, квантовых компьютерах или микроэлектронике, на худой конец – в производстве абразивного, сверлильного и режущего оборудования. Это же Алмаз!

Общая информация об алмазах

Знаете формулу алмаза? Ее может запомнить даже дошкольник, не имеющий понятия о химии. Это просто С, то есть, алмазы представляют собой чистейший углерод (в идеале, разумеется).

Что же должно было произойти, чтобы углерод превратился в алмаз? На этот счет выдвинуто множество гипотез. Самая убедительная из них утверждает, что алмазы образуются на очень большой глубине (свыше 200 км) и под грандиозным давлением – там углерод формирует особую кубическую решетку, присущую алмазам. Во время вулканических процессов кристаллы углерода выносятся ближе к поверхности, где их и обнаруживают алмазодобытчики.

Золотое кольцо с бриллиантами (перейти в каталог SUNLIGHT)

Процесс этот очень небыстрый: возраст алмазов измеряется в сотнях миллионов, а то и миллиардах лет. Так что когда в ходе интенсивной добычи алмазоносные кимберлитовые трубки и иные породы истощатся, запасы этого камня иссякнут ну очень надолго.

Согласно научным данным, некоторые алмазы имеют внеземное происхождение. Они прибыли к нам с метеоритами или попали к нам в результате взрыва сверхновой. Предполагается, что некоторые из них куда старше Солнечной системы!

Алмазов на Земле немало, но лишь мизерная их часть может быть превращена в бриллианты. Самые чистые и крупные алмазы (так называемые «капские») добывают в Африке, а российские запасы этого минерала сосредоточены преимущественно в Якутии.

Среди наиболее выдающихся свойств алмаза следует упомянуть следующие:

• непревзойденную твердость – 10 по шкале Мооса;
• самую высокую среди твердых тел теплопроводность – 900—2300 Вт/(м·К);
• исчезающе низкий коэффициент трения по металлу (в воздушной среде);
• тугоплавкость и устойчивость к воздействию высоких температур;
• устойчивость к воздействию большинства агрессивных кислот и щелочей;
• высокий показатель преломления лучей в сочетании с прозрачностью;
• способность люминесцировать (светиться) в рентгеновских лучах и ультрафиолете.

Алмазы бывают не только белыми, но и окрашенными. Бурая и желтая окраска снижают стоимость бриллианта, голубая, синяя, розовая, красная, зеленая – повышают до заоблачных высот.

Главная характеристика, решающая судьбу необработанного алмаза – это прозрачность («чистая вода»). Именно поэтому черные алмазы (карбонадо) долгое время считались исключительно техническими. Однако изредка попадаются равномерно окрашенные черные алмазы, сохранившие некоторую прозрачность и характерный блеск. Стоят они умопомрачительно дорого.

Как измеряется твердость алмаза

Даже ребенку известно, что прочность алмаза невероятна (имеется в виду именно его твердость, а не устойчивость к ударам). Она принята за базовую величину по всем шкалам измерения. И это удивительно, ведь ближайшие родственники алмаза, графит и каменный уголь, имеющие тот же элементарный химический состав, не могут похвастаться выдающейся прочностью.

Секрет твердости алмаза кроется в уникальных условиях его образования: высочайших температурах и невероятном давлении. При них атомы углерода образуют уникальную кубическую кристаллическую решетку. Это определяет невероятную твердость конечного вещества, которое может существовать в естественных условиях миллиарды лет!

Непревзойденная твердость позволяет использовать алмаз при производстве оборудования для бурения и сверхточной резки. Перед эталоном не может устоять ни одно вещество!

Шкала Мооса

Первая удачная попытка создать шкалу твердости материалов принадлежит немецкому минералогу Фридриху Моосу. Несмотря на то, что эта система была презентована научному сообществу еще в 1811 году, она продолжает использоваться до сих пор, причем преимущественно в приложении к минералам естественного происхождения (в том числе, и драгоценным камням).

Твердость алмаза в баллах по шкале Мооса равна 10, то есть этот минерал был принят за абсолют: тверже его априори нет ничего. Основа этого теста – царапание. Если на поверхности испытываемого образца остается царапина, то он априори мягче эталона.

Второе место по твердости по классической шкале Мооса удерживают корунды, к которым относятся сапфиры и рубины – 9 баллов. Поцарапать их можно только алмазом!

Однако очень редко встречающийся природный муассанит и его искусственный аналог карборунд (химическая формула SiC) имеет прочность аж в 9,5 баллов по Моосу. Кстати, карборунд зачастую заменяет алмаз как в промышленности, так и при производстве ювелирных изделий. Визуально он практически неотличим от благородного собрата, но стоит на порядок дешевле!

Всем известно, что алмаз имеет большую прочность, чем графит, несмотря на идентичность химического состава. Однако не каждый знает, что они находятся на диаметрально противоположных концах шкалы Мооса. Твердость графита сопоставима с аналогичной характеристикой талька, а это – всего лишь единица!

Система Роквелла

С появлением синтетических материалов и свехтвердых сплавов общепринятая шкала Мооса стала неудобной. Было предложено множество систем, но в металлургической промышленности более всего прижилась шкала Роквелла (точнее, Роквеллов, ибо их было двое, отдаленных родственников с одной фамилией).

Твердость алмаза по Роквеллу не измеряется – он принят за эталон и основной рабочий инструмент. Измерительный станок Роквеллов визуально напоминает швейную машинку, но вместо иглы используется алмазный конус, а ткань заменяет испытуемый материал.

На образец воздействуют алмазным конусом с заданным давлением в течение нескольких секунд, затем оценивают параметры вмятины по литерно-цифровой шкале.

Что тверже алмаза?

Было предпринято множество попыток создать или найти в природе материал, более прочный, нежели алмаз. Пока они не увенчались успехом: обсидан, титан, сверхтвердые сплавы, всевозможные инновационные материалы не могут посостязаться с благородным эталоном. Более того: многие химики и физики и вовсе утверждают, что вещества крепче алмаза (точнее, тверже) существовать не может.

Самая известная и скандальная история связана с веществом под названием лонсдейлит, в химическом и физическом смысле представляющим собой гексагональный алмаз. В 60-х годах минувшего столетия этот минерал был синтезирован искусственно, а чуть позже – в небольших количествах обнаружен в кратерах метеоритов.

В 2009 году группа китайских ученых опубликовала сенсационную работу, в которой утверждалось, что лонсдейлит тверже кубического (известного нам) алмаза более чем вполовину. К сожалению, эти данные оказались мистификацией и не подтвердились даже выкладками в вышеуказанной работе.

Самая удачная попытка создать вещество тверже алмаза была предпринята совсем недавно, в 2021 году. Дуэту американских ученых удалось получить алмазы-гексагоны из графита путем направленных взрывов. Полученные образцы продемонстрировали лучшую звукопроводность, нежели классический кубический алмаз, что теоретически свидетельствует о большей твердости.

К сожалению, проверить теоретические выкладки американских ученых опытным путем пока не удалось. А оскандалившийся лонсдейлит, полученный из графита путем воздействия колоссальным давлением, показывает прочность всего в 7-8 баллов по шкале Мооса. Да и использовать его вряд ли получится: он представляет собой кристаллики, видимые только под микроскопом, а получение этого вещества обходится фантастически дорого.

Золотая подвеска с коньячными бриллиантами (перейти в каталог SUNLIGHT)

Существуют и другие вещества, мало уступающие алмазу по твердости: фуллериты, всевозможные соединения бора, карбин и так далее. Они немногим мягче алмаза, но зачастую превосходят его по иным характеристикам: прочности, устойчивости к химическому воздействию и сверхвысоким температурам.

На основе кубического алмаза можно создать более прочное вещество (например, при помощи наноконструирования). Японцам это удалось, только как обрабатывать этот беспрецедентно твердый материал?

Можно ли алмаз поцарапать или разбить молотком?

Исходя из вышесказанного можно сделать вывод: поцарапать бриллиант невозможно. Это дает возможность быстро выявлять грубые подделки из стекла, легко царапающиеся стальной иглой или пилочкой для ногтей. Правда, имитации бриллианта вроде фианита, а тем более, карборунда, таким образом распознать невозможно.

А вот веществ прочнее алмаза предостаточно – да та же сталь! Это значит разбить алмаз вполне реально. Естественно, камень спокойно переживет падение со значительной высоты, да и если наступите на него, ничего критичного не приключится. Но если с силой ударить по алмазу молотком, он треснет, а то рассыплется в мелкую крошку.

Только делать этого не стоит: слишком дорогостоящим выйдет эксперимент, а мир лишится еще одного бриллианта, формировавшегося в течение сотен миллионов лет!

Источник

Свойства, твердость и структура алмаза

Многие знают, что алмаз самый твердый в мире природный материал. Некоторые слышали или, возможно, сталкивались с таким понятием, как алмазное напыление или алмазные головки режущих инструментов. Но что на самом деле представляет собой такое понятие, как твердость алмаза, и с чем она связана?

Понятие твердости и ее измерение долгое время оставалось довольно спорным вопросом. Очень долго не могли разработать методику, по которой можно было бы определить количество этого параметра. Пока Моос не придумал измерять этот параметр путем пробы поцарапать один минерал другими минералами. Если один из них поддавался царапанию другим, то ему автоматически присваивалось более низкое значение твердости. Приняв за каждую единицу какой-либо эталон, он разработал собственную шкалу твердости с показателями от 1 до 10.

За 10 баллов отвечала твердость алмаза, эталоном для одного балла твердости стал тальк. Другой распространенный драгоценный камень — корунд, который делится на рубины и сапфиры имеет показатель 9. Таким образом была закреплена такая самая распространенная шкала и соответствующие значения.

Почему алмаз имеет такой высокий показатель твердости? Как оказалось, химическая структура алмаза представляет собой чистый углерод. Тот же самый углерод, который в нормированном состоянии является графитом и твердость по шкале Мооса которого равняется единице.

Почему же тогда они имеют такие разные свойства, если состоят из одного и того же атома? Это происходит за счёт химических связей и строения решетки кристалла. Атомы углерода в этих двух веществах по-разному между собой связаны, что дает разное строение структуры.

Как известно, в природе нет материала, который был бы тверже алмаза. Но недавно учеными было разработано синтетическое вещество, которое, по их заявлению, имеет такой показатель на 58% больше. Это вещество получило название лонсдейлит. Лонсдейлит может выдержать давление, которое на 55 ГПа превышает давление, которое может выдержать самый твердый алмаз.

Его использование практически невозможно из-за высокой стоимости. В применении такого материала особой необходимости нет.

Другие характеристики

Если алмаз самый твердый минерал, означает ли это, что если его невозможно сломать? К сожалению, это не так. Дело в том, что в разных направлениях кристалла его твердость неодинакова. На этом свойстве как раз и основана его огранка, шлифовка и распиловка.

Поэтому прочность алмаза невелика, от сильного удара он может расколоться на части. Это несколько ограничивает его применение. Высокая твердость обуславливает его высокую износостойкость и сопротивление стиранию, но не гарантирует, что алмаз не сломается.

Кажется, что если алмаз имеет такую высокую твердость то как минимум должен быть очень плотным. На самом деле его плотность составляет всего около 3,5 грамма на сантиметр кубический. Это в три раза больше, чем воды, но, например, в шесть раз меньше, чем у золота.

Тем не менее для камня такая плотность является достаточной, можно даже сказать большой, что также влияет на его прочность. Бриллианты имеют характерный блеск и игру цвета, которые объясняются таким параметром, как показатель преломления. Показатель преломления бриллиантов составляет примерно 2,4, что является наибольшим значением для драгоценного камня. Еще одним важным параметром является дисперсия. Дисперсия представляет собой различие показателей преломления в зависимости от длины волны применяемого освещения.

Чем больше показатель дисперсии, тем сильнее выражена игра цветов. У алмазов этот показатель высокий, что и дает ему уникальное сияние. Сочетание преломления и дисперсии, а также твердости минерала, которая позволяет отполировать его без малейшего изъяна или трещины, составляют вместе тот необходимый набор, который делает этот камень самым дорогим в мире.

Алмаз имеет еще одно интересное свойство — он характеризуется самой высокой теплопроводностью, которая является наибольшей среди всех твердых тел. Это позволяет рассматривать его в качестве перспективного полупроводника для применения в электронике. Однако это возможно только при условии, что научатся синтезировать дешевые алмазы. Кремниевые полупроводники могут работать при температуре до 100 градусов по Цельсия в то время, как микросхема на алмазах будет выдерживать намного большие температуры.

Алмаз не растворяется в кислотах и щелочах. Обладает низким коэффициентом трения в воздухе, что происходит за счёт образования пленок абсорбера на поверхности камня. Температура плавления составляет 3500-4000 градусов Цельсия при определенных условиях давления. Если он находится на воздухе при температуре около 860 градусов, начинается процесс горения. Если его нагревать до высокой температуры без доступа кислорода, он переходит в углерод за несколько минут.

Структура кристаллической решетки

В конце XVIII века была обнаружено, из чего состоит алмаз. После этого было сделано огромное количество попыток, чтобы получить его в лабораторных условиях. Для этого были проведены эксперименты с техническими условиями, так как долго не могли понять при каких именно он образуется.

Как оказалось, алмаз состоит из атомов углерода, которые соединяются между собой в пространстве в особом порядке. Такой порядок называется кристаллической решеткой. Расположение частиц и тип такой решетки как раз и задают плотность алмаза и его твердость. Каждая ячейка имеет форму куба, поэтому кристаллическая решетка называется кубической.

Атомы расположены в порядке тетраэдра, между которыми действуют ковалентные связи. Каждый атом связан с четырьмя другими и поэтому имеет наивысший возможный показатель валентности для углерода. Последнее приводит к тому, что все связи заняты и не взаимодействуют со сторонними веществами. Именно такой тип решетки и объясняет высокую твердость алмазов.

Ещё известны две разновидности кристаллического вещества, которые состоят из атомов углерода: углерод и лонсдейлит, который был описан выше. Такой минерал встречается в останках метеорита. Графит же можно увидеть на каждом шагу. Отличия в кристаллической решетке между графитом и алмазом приводит к тому, что графит имеет очень мягкую структуру и легко слоится, тогда как алмаз почти ничем нельзя поцарапать.

У графита решетка имеет гексагональный характер. Частицы углерода расположены слоями, дистанция между которыми больше, чем между атомами в одном слое. Это обуславливает такие основные свойства графита, как электропроводность и поглощение света.

Расстояние между атомами кубической решетки алмаза везде имеет одинаковое значение — этим объясняется прозрачность минерала и его способность оказывать сопротивление и не проводить электрический ток. В минерале могут содержаться такие металлы в виде примесей:

• магний;
• алюминий;
• кремний;
• гранит;
• кальций.

Часто встречаются кристаллы с включением воды, углекислоты или других газообразных веществ.

Примеси неравномерно распределяются и больше всего их наблюдается на периферии кристалла. Такой тип кристаллической структуры встречается и у других элементов 4 группы с такой валентностью. Однако по мере увеличения атомной массы расстояние между ними растет и прочность ковалентной связи падает. Поэтому алмаз имеет самую высокую прочность, так как его атомы расположены ближе всего.

Благодаря своей прочности, алмаз находит применение не только в ювелирном деле, но и в промышленности. Например, используются в строительстве и когда нужно просверлить что-нибудь или обрезать в сложных конструкциях из бетона и стали. Кроме того, алмазные конструкции используются в ремонте для резки по граниту, мрамору и другим твердым материалам.

Используется минерал в точном приборостроении и для изготовления инструмента начиная от любительских пил и ножниц по металлу, стеклорезов, фрез, шлифовальных кругов и заканчивая инструментами хирурга и космическими носителями.

Строительство тоннелей и прокладка кабелей невозможны без этого материала. Проходческий комбайн, ножи которого покрыты тонким напылением алмазной крошки, применяются там, где невозможно построить туннель другим способом. В медицине применяются скальпели из алмаза, где невозможно использовать обычный. Ведутся активные разработки медицинского лазера, в котором он будет использоваться в качестве полупроводника.

В телекоммуникациях и электронике алмаз используют для прохождения сигналов разных частот по одному кабелю. В качестве защитного элемента используется в лабораторном оборудовании для физических и химических научных исследований.

Постоянно ведутся новые разработки возможности получения синтетических алмазов высокого качества и небольшой цены для того, чтобы широко использовать его во всех сферах промышленности. Твердость этого камня также влияет на его высокие показатели износостойкости при использовании в ювелирном деле.

Источник