Все мы наслышаны о том, что алмаз – это самый твердый минерал на нашей планете. Однако науке известен тот, который превосходит его по заявленному показателю. Изучать его непросто, так как он содержится только в метеоритах.
Твердость минерала означает не то, насколько он неподатлив на ощупь. Здесь имеется в виду его устойчивость к внешнему воздействию. Грубо говоря, может ли его что-нибудь поцарапать. У алмаза, согласно шкале Мооса, данное значение составляет 10 из 10. Определяется оно относительно несложно.
Нужно провести серию экспериментов, в ходе которых поверхность минерала царапается другими минералами. Если там остается характерная линия, делается вывод, что пострадавший объект не такой твердый, как тот, который оказался «победителем». Чем выше у минерала число Мооса, тем меньшим количеством собратьев он может быть поврежден.
Десятка в данном случае обозначает полную неуязвимость. Алмазы могут царапать друг друга. То же самое могут сделать некоторые синтетические материалы. Однако среди минералов это все же абсолютный чемпион.
▽ 10 наиболее твердых веществ на земле.
Шкала твердости Мооса
Что делает алмазы такими твердыми? Частично это объясняется тем, что они полностью состоят из углерода. Атомы, группирующиеся в те или иные минералы, образуют решетку, которая удерживается посредством химических связей. Последние являются преимущественно ионными и ковалентными. В первом случае электроны передаются от одного атома к другому, что обеспечивает завидную прочность.
Но ковалентная связь еще более устойчива, так как электроны здесь являются общими для атомов. Корунд, разновидностями которого являются рубины и сапфиры, может похвастать тем, что он использует оба вида связей. Алюминий обменивается электронами с кислородом, в то время как атомы последнего объединены еще и ковалентно. Так что в итоге твердость корунда по шкале Мооса равна девяти.
Красный корунд. Россия, Средний Урал. Фото: Маша Мильшина
Так как алмаз состоит из чистого углерода, внутри него используются только ковалентные связи. Но само по себе это не объясняет, почему он тверже рубина. Тот же графит, хоть и выглядит совершенно иначе, тоже состоит из названного химического элемента, но его твердость по шкале Мооса составляет всего 1.5. Он настолько мягкий, что его можно поцарапать даже ногтем.
Здесь уместно вспомнить ещё одно положение из школьной программы – о том, что нужно учитывать форму решетки минерала. Атомы графита образуют накладывающиеся двумерные слои. Внутри этих «листов» ковалентные связи очень прочны, однако бесконечные плоскости почти не держатся друг за друга. Именно поэтому грифель карандаша, изготовленный из этого материала, оставляет свой след на бумаге.
Атомы алмаза, тем временем, образуют трехмерную кубическую структуру, где каждый из них держится за четырех соседей. В отличие от графита, он сопротивляется воздействию со всех направлений. Если мы хотим найти более твердый материал, то должны присмотреться к чему-то такому, что состоит из чистого углерода, но имеет ещё более совершенную структуру.
ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПРЕСС ПРОТИВ АЛМАЗА 1600$
И именно в этот момент мы упомянем странно звучащее слово «лонсдейлит». Атомы этой модификации углерода образуют гексагональную решетку, то есть связаны ковалентно с шестью себе подобными. И два дополнительных узла должны дать нам ещё более твердый материал.
Кристаллическая структура алмаза состоит из гранецентрированной кубической решетки, каждое ребро имеет размер 3,6 ангстрем
К сожалению, подтвердить эту теорию на практике до сих пор не удалось. Несмотря на то, что лонсдейлит был описан еще в шестидесятых годах прошлого века, получить его в достаточном количестве никак не выходит. Этот минерал встречается в природе, но только не в земной. Мизерные его объемы найдены в чрезвычайно редких метеоритах, которые именуются урейлитами.
Они богаты углеродом, и, по мнению некоторых экспертов, порождены в результате разрушения карликовой планеты на заре существования Солнечной системы. Внутри этих «космических пришельцев» можно найти графит и алмазы, но в паре образцов был обнаружен лонсдейлит. Иногда здесь можно увидеть даже переходные зоны между этими минералами. Это наводит на предположение, что какое-то внешнее воздействие перестроило атомы углерода, в результате чего одни из них сформировали алмаз, а другие лонсдейлит.
NWA 4231, образец урейлитового метеорита.
Ученые продолжают работать над выявлением возможных причин подобной трансформации и установлением необходимых для неё условий. Если им удастся добиться желаемого результата, наука, скорее всего, получит технологию производства минерала, превосходящего твердостью алмаз. В настоящее время больше всего сторонников у сценария быстрой декомпрессии, так как в урейлитах также содержатся минералы, присутствующие в глубинах Земли. Все они, по всей видимости, образовались под огромным давлением, но затем, когда карликовая планета разлетелась на кусочки, её вещество подверглось воздействию космического вакуума.
Одна из гипотез говорит о том, что при столь резком изменении давления и температуры связи между атомами углерода могли сместиться, трансформировавшись в кубическую решетку алмаза, а лонсдейлит образовался позже. Однако авторы исследования, результаты которого были опубликованы в 2022 году, считают, что все было ровно наоборот. Атомы углерода в урейлите под сильнейшим внешним воздействием образовали лонсдейлит, большая часть которого по мере остывания остатков планеты превратилась в алмазы. В общем, чтобы создать достаточное количество лонсдейлита для проверки степени его твердости, требуется выяснить, как повторить этот процесс. После чего нужно не допустить быстрого остывания данной модификации углерода и «деградации» её в алмазы.
В 2021 году один научный коллектив заявил, что ему удалось не только изготовить лонсдейлит, но и экспериментально подтвердить его большую по сравнению с алмазом твердость. Однако метод, который им использовался, был несколько своеобразным. Полученный материал разрушился сразу по окончании «тестирования».
Остается дождаться, когда исследователи, устранив выявленные недостатки своей технологии, повторят успех и представят потрясенной публике синтетический лонсдейлит. Если он действительно окажется тверже алмаза, авторы изыскания станут очень богатыми людьми. Алмазы сегодня используются во множестве отраслей промышленности, и более твердый материал позволил бы получить еще более эффективные и долговечные инструменты. Что, конечно же, было бы просто замечательно.
Алмаз, который ученые использовали для получения лонсдейлита
Друзья! Спасибо вам всем за то, что остаетесь с нами и продолжаете нас читать. Так как сейчас Дзен платит исключительно за активность подписчиков, лучшей поддержкой нашего канала является ваш лайк или комментарий. Если вам понравилась наша публикация, то не забудьте оценить ее или написать какой-нибудь осмысленный комментарий. Спасибо!
Также вы можете прочитать другие наши статьи, если еще не сделали этого:
Источник: dzen.ru
Топ 10 Самых твердых веществ в мире
Все еще думаете, что алмаз – самое твердое вещество на нашей планете? Прошлый век! В нашем ТОП 10 – самые твердые вещества на планете, и алмаз в них только на четвертом месте.
1 Ульратвердый фуллерит
Поцарапать алмаз? Запросто. Для этого подходит ультратвердый фуллерит. В гранях этого кристалла – целые молекулы фуллерона, что делает его необычайно крепким, примерно в три раза крепче алмаза.
2 Лонсдейлит
В отличие от полностью искусственного фуллерита лонсдейлит можно найти в местах столкновения астероидов с земной поверхностью. Особенностью этого вещества является способность к модифицированию под давлением. Если нагрузка извне возрастает, лонсдейлит перестраивает свою структуру так, чтобы стать еще крепче.
3 Вюртцитный нитрид бора
Аналогичный механизм запускается у бронзового медалиста нашей Десятки самых твердых веществ на земле. Это вюртцитный нитрид бора. При увеличении давления на этот материал, он становится тверже своего обычного состояния почти в два раза.
4 Алмаз
Натуральный алмаз все еще цепляется за свои позиции, однако… мало кто знает, что алмазы по твердости тоже бывают разными. В зависимости от качества камня его твердость колеблется от 70 до 150 гигапаскалей. Но, все же, твердую четверку он заслуживает.
5 Боразон или эльбор, кубонит, кингсонгит, киборит
Все это названия одного и того же вещества – кубического нитрида бора, открытого еще в 1985 году. Интересно узнать, что боразон кое в чем алмаз превосходит – его температура горения почти в два раза превышает температуру горения алмаза.
6 Нитрид углерода-бора
А вот это вещество существует только потенциально и до сих пор доказано лишь теоретически. Тем не менее, когда оно будет создано, Нитрид углерода бора (c-BC2N) будет в некоторых аспектах тверже алмаза.
7 Карбид бора
Карбид бора – один из старожилов нашей десятки самых твердых веществ на планете. В 2016 исполняется 123 года с момента его открытия. И, тем не менее, он до сих пор держит марку – это одно из самых тугоплавких и химически стойких веществ, не растворяющееся даже в кипящих кислотах.
8 Диборид осмия
Диборид осмия отличается исключительной прочностью в одном из направлений своей кристаллической решетки. Чтобы получить это вещество, диборид магния смешивают с хлоридом осмия и выдерживают при температуре +1000С три дня. И то и другое вещество растворяются даже водой, но получившиеся кристаллы – гораздо тверже.
9 Диборид рения
Еще один кристалл, который наступает на пятки алмазу. Его кристаллическая решетка в отдельных направлениях даже тверже этого природного минерала. В то же время, по другим – в пять-шесть раз мягче. Так что 9 место он получает заслужено.
10 Борид магния-алюминия
Трехкомпонентное вещество, которое обладает идеальным скольжением и отменной твердостью. Материал существует в виде тончайшего напыления.
https://www.facebook.com/app_scoped_user_id/10209172586870423/ Василий Перебайлов
Враньё. Согласно современным теоретическим и практическим научным данным, не существует и не может существовать минералов или соединений тверже алмаза. Любые соединения на основе фуллеренов — фуллериты; лонсдейлит; любые соединения бора, в частности: давно активно используемый в промышленности кубический нитрид бора (он же кубонит, боразон, эльбор, кингсонгит, киборит), плотный гексагональный (вюрцитоподобный) нитрид бора, карбид бора, субоксид бора, нитрид углерода-бора; карбин и прочие, в том числе на практике еще не полученные, уступают алмазу по твердости.
Источник: dekatop.com
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.
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.
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: new-science.ru