Есть ли что то крепче алмаза
Кристалл, который может сокрушить алмаз: в поисках самого твердого материала
В центре нашей планеты породы весом в миллиарды тонн создают силу, которая в три миллиона раз превышает атмосферное давление на поверхности. Тем не менее на столешнице своей скромной лаборатории на севере Баварии физик Наталья Дубровинская может превысить даже это сумасшедшее давление в несколько раз, благодаря устройству, которое умещается у нее в руке.
Может ли быть что-то прочнее алмаза?
Несколько точных поворотов винтов в верхней части небольшого цилиндра — и она может создать давление, в три раза превышающее давление в ядре Земли. Удивительно, но вместе с коллегами из Университета Байройт она обнаружила удивительный материал, способный выдерживать эту феноменальную силу. Он настолько твердый, что может оставить вмятину в кристалле алмаза, который долгое время считался самым твердым материалом в мире.
Ее новое вещество — это кульминация десятилетних поисков современных алхимиков, ученых, которые химичили и возились с химической структурой веществ, пытаясь подстроить и изменить их свойства нужным образом. Это путешествие, в котором было много фальстартов и тупиков. Но последние достижения ученых могут иметь широкие последствия, от прорывов в медицине до изменения нашего понимания далеких миров.
Давление в ядре Земли составляет до 375 ГПа
Любовь человечества к твердым материалам восходит к самым первым дням нашего вида, когда наши предки начали использовать твердые камни, чтобы придавать форму другим более мягким камням, делая из них лезвия. Постепенно их заменяли все более твердыми металлами, пока около 2000 лет не произвели первую сталь. Она оставалась самым твердым известным материалом до 18 века, а потом ученые выяснили, что могут покрывать инструменты алмазами.
Несмотря на очевидную привлекательность для ювелирных изделий, большинство обработанных алмазов используется для создания сверхтвердых покрытий для износостойких инструментов и сверл. В горнодобывающей и нефтяной промышленности такие алмазные инструменты просто необходимы — без них пробиться через сотни метров пород к ценным ресурсам в глубине Земли было бы чрезвычайно трудно, если вообще возможно.
Чтобы не пропустить ничего интересного из мира высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram. Там вы узнаете много нового.
«Твердое покрытие необходимо для разного рода применений, начиная от высокоскоростных режущих инструментов, глубоководных сверл, добычи газа и нефти и заканчивая биомедицинским применением», — говорит Ягдиш Нараян, главный материаловед в Университете штата Северная Каролина.
Чтобы понять, что делает материал твердым, нужно взглянуть на атомную структуру его кристаллов. Алмазы образуются из тех же атомов углерода, который составляют мягкий графит — его можно найти в сердцевинке любого карандаша. Разница между этими двумя формами углерода заключается в расположении атомов. Графит формируется из листов атомов углерода, расположенных плоскими шестиугольниками, которые удерживаются слабыми силами притяжения между каждым слоем.
В алмазе же атомы углерода удерживаются в форме тетраэдра, которая чрезвычайно жесткая. В сочетании с тем, что углерод образует сильные связи, это и рождает твердость алмаза.
Слово «алмаз», «адамант», «диамант», «diamond» происходит от древнегреческого «адамас», что означает несокрушимый. Правда, при достаточно высоком давлении ломается и алмаз. Крошечные слабинки в кристалле также могут ослабить его, что делает алмаз уязвимым к распаду.
И это создает для ученых проблему: как изучать поведение материалов при высоком давлении, если даже самый твердый встречающийся в природе материал может разрушиться? Нужно найти что-то более стойкое.
Ложная надежда
Вряд ли вас удивит, что поиск сверхтвердого материала начинается с попытки повторить структуру алмаза, но, по правде говоря, существует не так много элементов, способных связываться между собой таким же образом.
Один из таких материалов — нитрид бора. Подобно углероду, этот синтетический материал бывает в нескольких формах, но можно повторить структуру алмаза, заменив атомы углерода атомами азота и бора. Впервые созданный в 1957 году «кубический нитрид бора» был достаточно твердым, чтобы оцарапать алмаз — как заявляли изначально. Но более поздние тесты показали, что этот материал даже и в половину не такой же твердый, как его аналог на основе углерода.
Следующие несколько десятилетий породили ряд разочарований, когда ученые начали искать способы связать три этих элемента — азот, бор и углерод — в разных формах. Из тонких пленок одного из таких материалов, что были созданы в 1972 году, смогли создать форму, имитирующую структуру алмаза; но из недостатков было то, что процесс включал сложную химию и чрезвычайно высокие температуры для производства. И только в 2001 году алмазоподобный нитрид бора был создан учеными Национальной академии наук Украины в Киеве совместно с коллегами из Франции и Германии. И хотя этот новообнаруженный материал был тверже кристаллов кубического нитрида бора, он все еще проигрывал алмазу.
Подписывайтесь на наш канал в Яндекс Дзен. Там можно найти много всего интересного, чего нет даже на нашем сайте.
Затем, семь лет назад, Чангфенг Чен, физик из Университета штата Невада, и его коллеги из Шанхайского университета Цзяо Тун в Китае решили, что смогут свергнуть алмаз с пьедестала. Они рассчитали, что причудливая шестиугольная форма нитрида бора, известная как вюрцит нитрида бора, сможет выдержать на 18% больше давления, чем алмаз. Этот редкий материал имеет подобную алмазу и кубическому нитриду бора четырехгранную структуру, только связи сформированы под разными углами. Компьютерное моделирование поведения такого материала под давлением показало, что некоторые из этих связей являются гибкими и переориентируют себя на 90 градусов, оказываясь в условиях напряжения, чтобы его снять.
Хотя связи алмаза аналогичным образом реагируют на давление, вюрцит нитрида бора становится на 80% тверже при более высоком давлении. Загвоздка в том, что его довольно опасно создавать — для этого придется искусственно создать взрывы, которые имитируют условия высокого тепла и давления вулканических взрывов. Очевидно, получить их в достаточных объемах будет весьма трудно. Аналогичные проблемы ограничивают потенциал исследований похожего вещества, известного как лонсдейлит, которое должно быть в состоянии выдерживать на 58% больше давления, чем обычные кристаллы алмаза.
Q-углерод — прочная аморфная форма углерода
И лишь в последние несколько лет мы начали наблюдать некоторые прорывы. В 2015 году Джагдиш Нараян и его коллеги из Университета штата Северная Каролина расплавили некристаллическую форму углерода (стеклоуглерод) быстрым лазерным импульсом, нагрев ее до 3700 градусов по Цельсию, а после быстро охладили. Это охлаждение, или гашение, привело к созданию Q-углерода, странной, но исключительно прочной аморфной форме углерода. В отличие от других форм углерода, эта магнитная и светится при воздействии света.
Структура этого материала по большей части представлена связями алмазного типа, но также имеет от 10 до 15 процентов связей графитного типа. Испытания показали, что Q-углерод может быть минимум на 60% тверже алмаза, но это еще предстоит утвердить окончательно. Настоящие испытания на твердость требуют сравнения образцов с наконечником, который тверже испытуемого материала. Пытаясь продавить образец Q-углерода двумя заостренными алмазными наконечниками, появляется проблема: алмазные кончики деформируются.
И вот здесь-то могут пригодиться сверхтвердые наковальни Дубровинской. Ее новый материал представляет собой уникальную форму углерода, известную как нанокристаллические алмазные шарики, и, вместо того чтобы состоять из единой кристаллической решетки атомов углерода, он состоит из множества крошечных отдельных кристаллов — каждый в 11 000 раз меньше толщины человеческого волоса — связанных между собой слоем графена, не менее удивительного материала в один атом углерода толщиной.
Если алмазный кристалл начинает уступать при давлении в 120 ГПа, новый материал может выдержать не меньше 460 ГПа. Он даже может пережить сдавливание для генерации давления до 1000 ГПа. Эти крошечные сферы тверже любой другой известной субстанции на планете. Чтобы почувствовать его силу, представьте 3000 взрослых африканских слонов, балансирующих на одной шпильке. «Это самый твердый из всех известных сверхтвердых материалов», говорит Дубровинская.
Нанокристаллические алмазные шарики также прозрачные, что позволяет им выступать в роли крошечных линз, через которые исследователи могут всматриваться в раздавливаемый материал, используя рентгеновское излучение. «Это позволяет нам сдавливать исследуемый материал и наблюдать за происходящим, — говорит Дубровинская. — Достижение сверхвысокого давления открывает новые горизонты для более глубокого понимания материи».
Нанокристаллические алмазные шарики
Дубровинская и ее коллеги уже применили это для изучения осмия, металла, который находится в числе наиболее устойчивых к сжатию в мире. Они обнаружили, что осмий может сопротивляться сжатию с давлением более 750 ГПа. В этой точке внутренние электроны, которые обычно тесно связаны с ядром атома металла и являются весьма стабильными, начинают взаимодействовать между собой. Ученые полагают, что это странное поведение может привести к переходу металла из твердого в ранее неизвестное состояние вещества. Было бы весьма интересно изучить, какие свойства осмий при этой приобретает.
Сверхтвердые наноалмазы попросту позволяют создать новые режущие края для резьбы по металлу и камню. В порошкообразной форме такие наноалмазы находят применение в косметической промышленности, поскольку обладают высокой впитывающей способностью. Они также легко впитываются в кожу, унося с собой активные вещества. Медицинская промышленность начинает изучать способы использования наноалмазов для переноса лекарств, например, в процессе химиотерапии в труднодоступных участках тела. Исследования также показали, что наноалмазы могут способствовать росту кости и хряща.
Заходите в наш специальный Telegram-чат. Там всегда есть с кем обсудить новости из мира высоких технологий.
Что самое любопытное, эта недавняя работа может помочь нам раскрыть несколько тайн нашей Солнечной системы. В следующем месяце пройдет международная конференция, на которой эксперты обсудят новые возможности. Если в центре Земли давление, как полагают, доходит до 360 ГПа, в ядре газового гиганта Юпитера давление может достигать невероятных 4500 ГПа.
При таком давлении элементы начинают вести себя странным образом. Водород — в обычном состоянии газ — начинает вести себя как металл, например, и становится способным проводить электричество. Дубровинская и Дубровинский надеются, что их сверхтвердые алмазы могут помочь нам воссоздать эти космические условия. «Мы могли бы смоделировать недра гигантских планет или внеземных суперземель за пределами нашей Солнечной системы. Думаю, еще более удивительно то, что мы можем делать это с помощью чего-то, что можем держать в руках».
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.
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
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
Что делает бриллиант таким твердым?
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
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.
Самое твёрдое вещество в мире: избавляемся от ложных истин
Назвать самое твёрдое вещество в мире не так просто, как может показаться поначалу. Дело в том, что твёрдость материалов может меняться в зависимости от некоторых внешних факторов. В частности, она, как ни странно, может оказаться разной, когда изменяется прилагаемая к веществу нагрузка.
Многие годы эталоном твёрдости считался алмаз. Впрочем, почему считался? В мире материалов его твёрдость до сих пор остаётся эталоном. Всё, что уступает алмазу в твёрдости, но приближается к нему по этому показателю, называют сверхтвёрдым. А вещества, которые твёрже алмаза, несут гордое наименование «ультра прочных».
И здесь многие читатели могут засомневаться. Ведь ещё не так давно даже в школах учили, что твёрже алмаза в природе ничего нет, и эту истину запомнили многие. Но все истины относительны, как говорят философы. Информация о «самом твёрдом алмазе» в наше время также претерпела изменения.
Так что же твёрже алмаза?
Начнём с того, что алмазы также бывают разными по твёрдости. Твёрдость материалов измеряется гигапаскалями (ГПа). Так вот, у разных алмазов этот показатель может варьировать от 70 до 150 ГПа. Согласитесь, разброс весьма существенный! Верхний предел прочности принадлежит так называемым чёрным алмазам, «карбонадо». В природном виде они обнаружены в крайне малых количествах, в Бразилии и Южной Африке.
Если «обычный» алмаз состоит из одного кристалла, то карбонадо — из огромного количества кристаллов углерода, между которыми остаются пустоты. Установлено, что эти алмазы образуются не при высоких давлениях, а при обычных, и находят их только на поверхности Земли. Распространена теория, что карбонадо занесены на нашу планету астероидом, возникшим в результате взрыва сверхновой звезды.
Итак, карбонадо — существенно твёрже «обычного» алмаза, но это всё же алмаз. А есть вещества, которые вовсе не являются алмазами, но твёрже их, и даже твёрже, чем карбонадо. Вот они:
Фуллерит
Это полностью искусственный материал, не встречающийся в природе. Его твёрдость оценена в 310 ГПа. «Карандашик» из этого материала с лёгкостью поцарапает алмазную пластинку. Фуллериты состоят из молекул фуллерена, синтезированного в 1985 году. За это открытие его авторы получили, между прочим, Нобелевскую премию по химии!
Интересно, что долгое время фуллерит был невероятно дорогим и редким веществом, потому что для его синтеза нужны чудовищно высокие давления. Но несколько лет назад российские физики в сотрудничестве с французскими сумели обойти это препятствие. Сейчас вещество уже можно создавать в относительно простых условиях.
Лонсдейлит
Это вещество называют «гексагональным алмазом», потому что оно состоит из графита, только изменённого. В природе очень редко встречается в метеоритных кратерах, но там его твёрдость даже уступает твёрдости карбонадо. Всё дело в примесях, которые обязательно присутствуют в естественных образцах лонсдейлита.
Вюртцидный нитрид бора
Не все учёные считают, что он твёрже алмаза. Иными словами, его третье место пока оспаривается. Дело в том, что в обычном состоянии нитрид бора хоть и очень твёрдый, но всё же относится не к ультра прочным, а к сверхтвёрдым веществам.
Всё меняется, когда на его структуру начинают оказывать давление. Атомарные связи этого вещества устроены так, что при повышении давления они «производят перегруппировку», и вот тогда-то нитрид бора становится твёрже алмаза!
Таким образом, определяя самое твёрдое вещество в мире, мы познакомились с интересными веществами, а заодно избавились от привычного мифа о «самом твёрдом алмазе».
Существуют ли материалы тверже алмаза
До сих пор думаете, что прочнее алмаза нет ни одного материала? Вот сразу два вещества, кристаллическая решетка которых способна выдерживать в 1,5 раза большие давления, чем алмаз
Кубическая гранецентрированная решетка алмаза, состоящая из атомов углерода, выдерживает огромные давления в испытании на вдавливание сферического пуансона. Ученые подсчитали, что для деформирования алмаза в таком испытании требуется приложить давление в 97 гигапаскалей.
Однако, проведенные в 2009 году исследования показали, что нитрид бора с кристаллической решеткой типа вюрцит (w-BN) и лондсдейлит — одна из аллотропных модификаций углерода — превосходят алмаз в прочности в тесте на вдавливание. Чтобы деформироваать эти материалы, исследователям потребовалось приложить давление соответственно 114 и 152 гигапаскаля.
При больших давлениях прочность w-BN увеличивается на 78% по сравнению с состоянием до приложения давления. Именно благодаря этому свойству деформационного упрочнения, нитрид бора с решеткой вюрцита обладает такой высокой прочностью. Такой же механизм упрочнения характерен и для лондсдейлита, но из-за отсутствия разности в размерах атомов в его структуре прочность такого материала получается даже выше, чем у нитрида бора.
Такие механизмы упрочнения ученые используют для увеличения физических характеристик конструкционных материалов. В отличие от алмаза, сверхтвердые материалы на основе нитрида бора термически стабильны и при высоких температурах не взаимодействуют с кислородом, поэтому область их применения представляется более широкой.
Кстати, у нас есть канал в Telegram, где можно почитать о самых свежих и интересных новостях из мира науки и техники
Алмаз или обсидиан крепче по своим свойствам
Происхождение камней
Алмаз – это искаженное арабами греческое слово «адамас», которое переводится как «несокрушимый». Данным термином обозначается минерал, являющийся аллотропной разновидностью самого обычного углерода.
Камень обладает удивительным и крайне редким свойством – метастабильностью. Проще говоря, он в естественной среде способен существовать неограниченный период времени. Так что выражение «бриллианты вечны» полностью соответствует истине. Однако если поместить кристалл в камеру, заполненную любым инертным газом и начать нагревать, то он превратится в грошовый графит.
Обсидиан известен человечеству гораздо дольше алмаза. У него есть множество альтернативных названий, среди которых наиболее распространены:
• вулканическое стекло;
• коготь дьявола.
Сам по себе минерал – это всего лишь магматическая порода. Однородный обсидиан получается при условии, что в расплаве будет максимум 1 процент воды. Излишек влаги приводит к вспучиванию камня, и тогда он классифицируется как перлит.
Медленное остывание магмы обеспечивает правильную кристаллизацию, но в итоге возникает не вулканическое стекло, а порода, содержащая три основных компонента:
• полевой шпат;
• слюда;
• кварц.
Свойства алмаза
Прочность алмаза стала эталонной при создании шкалы твердости различных минералов, разработкой которой занимался Фридрих Моос. Немецкий ученый дал рассматриваемому камню максимально возможную оценку – 10.
Основные свойства алмаза:
• абсолютная твердость;
• большая хрупкость (материал легко раскалывается);
• уникальная теплопроводность.
Ювелирами ценятся лишь некоторые качества алмазов – их сильное светопреломление и выраженная дисперсия.
Физики причисляют минерал к широкозонным полупроводникам. В эту категорию также входят:
• сульфит кадмия;
• карбид кремния;
• фосфид галлия.
Еще одно удивительнее свойство кристалла: минимальный коэффициент трения при контакте с металлами. Если дело происходит в воздушной среде, то показатель составляет 0,1. Причина в том, что на поверхности алмаза образуется газовая пленка, которая и выполняет роль смазки.
Твердость минерала делает его практически неуязвимым к истиранию, почему камни и используются в буровом оборудовании.
Алмаз вполне реально сжечь – для этого потребуется всего 1 000 градусов и подача воздуха. При данной температуре камень буквально испаряется – от него остается только углекислый газ. Если же минерал положить в вакуум и нагреть до 2 тысяч градусов, то он сначала трансформируется в графит, а затем взрывается.
Правда ли, что алмаз самый прочный минерал
Современная наука открыла ряд элементов гораздо тверже алмаза. На сегодняшний день по этому показателю лидирует фуллерит. Если бы упомянутая выше шкала Мооса предусматривала существование суперкрепких материалов, то для названного необходимо было бы использовать значение 30.
Чуть слабее синтетического фуллерита считают лонсдейлит. Последний минерал вполне натурален и образуется в момент столкновения астероидов с поверхностью нашей планеты. У этого камня есть одно уникальное свойство – чем серьезнее оказывается на него давление, тем он становится тверже.
Вюртцитный нитрид бора – еще один материал, крепость которого выше чем у алмаза. При этом увеличение нагрузки делает его еще прочнее – показатель повышается вдвое.
Нитрид углерода бора существует только в теории. Получившим его наверняка будут выдавать Нобелевскую премию, ведь минерал по многим рассчитанным параметрам обгонит алмаз.
Обсидиан
В остальном же обсидиан полностью соответствует по составу граниту – в том числе он имеет некоторые другие схожие с ним свойства. Так, к примеру:
• вулканическое стекло крайне хрупкий материал и быстро разрушается при трении;
• оно легко поддается полировке и приобретает в результате приятный стеклянный блеск.
Тем не менее в качестве поделочного камня черная порода серьезно уступает по декоративности ближайшим родственникам – кварцу, раухтопазу и мориону.
Максимальная твердость обсидиана по шкале Мооса – всего 5,5, что почти вполовину ниже, чем у алмаза.