Есть ли что то тверже алмаза
Правда ли, что алмаз — самый твердый материал, или есть твёрже?
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.
Тверже алмаза: топ 5 самых твердых веществ в мире
Многие ошибочно полагают, что на Земле нет ничего тверже алмаза. Но есть соединения, по сравнению с которыми алмаз напоминает мягкое масло! Некоторые из них встречаются в природе, другие же могут быть синтезированы исключительно в лабораторных условиях. Итак, 5 самых твердых веществ в мире:
1. Фуллерит
В природе фуллерит не встречается: он может быть синтезирован только искусственным путем. Получают его из фуллеренов под давлением в 90 тысяч атмосфер и при температуре около 300 градусов. Фуллерены представляют собой молекулярные «шары», состоящие из атомов углерода.
Если рассматривать их под мощным микроскопом, «шары» будут напоминать футбольные мячи, каждая «грань» которых составлена из шести молекул углерода. Под воздействие экстремальных условий эти «шары» соединяются друг с другом, образуя прочные, практически нерушимые химические связи. Интересно, что существуют особые катализаторы, благодаря которым реакция полимеризации может происходить даже при комнатной температуре.
Свойста фуллерита:
Во-первых, как уже было сказано, он практически в два раза тверже, чем алмаз. Во-вторых, он обладает исключительной устойчивостью к концентрированным кислотам и щелочам, практически не вступая в химические реакции даже с самыми агрессивными реагентами.
В-третьих, фуллерит устойчив к воздействию высоких температур. Своих свойств он не теряет вплоть до температуры 930 градусов Цельсия! Наконец, между молекулами углерода в его атомарной решетке имеются пустоты, которые могут быть заполнены любыми другими молекулами, в том числе и металлами, что позволяет создать на основе фуллерита материалы с любыми заданными свойствами.
2. Лонсдейлит
Этот минерал очень похож на алмаз по своей молекулярной структуре. Его даже называют гексональным алмазом. Лонсдейлит также является одной из модификаций углерода.
Однако если это вещество загрязнено различными примесями, оно не может похвастаться особой твердостью. Но в очищенном виде он гораздо тверже, чем алмаз, и с легкостью может оставить на нем царапины. Чистый лонсдейлит на 58% прочнее алмаза, а при приложении к нему нагрузки прочность его лишь увеличивается. Кстати, механизм этого процесса для ученых все еще остается загадкой.
Очень интересна история его открытия. Впервые следы вещества удалось обнаружить на дне воронок, оставшихся после падения метеоритов. Метеориты эти, по-видимому, состояли преимущественно из графита. Из-за высокой температуры графит превратился в лонсдейлит. Минерал был найден в России на месте падения Тунгусского метеорита, а также в Америке в кратере Дьявола. Благодаря этому Лонсдейлит еще называют космическим алмазом.
Свое название минерал получил в честь ученого-минералога из Британии Кэтлин Лонсдейл. Идею дать ему именно такое название предложил другой минералог по имени Клиффорд Фрондель. Он пояснил эту мысль тем, что новая форма алмаза в природе столь же редка, как и женщина-ученый. Конечно, в наши дни это не столь актуально. В 1960-е же годы ситуация в науке была такой, что женщинам было сложно добиться больших научных высот.
3. Вюртцитный нитрид бора
Кристаллическая решетка этого вещества представляет собой особую форму, которую называют вюртцитной. Именно благодаря этому вещество является столь твердым. Если прикладывать к кристаллу нагрузку, атомы в кристаллической решетке будут особым образом перераспределяться, из-за чего вещество станет еще более твердым.
То есть чем больше нагрузка, тем тверже делается нитрид бора! Это свойство роднит его с лонсдейлитом — еще одним «конкурентом» алмаза, который образуется на дне воронок, оставленных графитовыми метеоритами. До сих пор не удалось точно установить, по каким причинам твердость минерала меняется при воздействии нагрузок.
К сожалению, вопрос остается открытым, так как экспериментировать с этим веществом довольно сложно, поскольку его нелегко синтезировать в лабораторных условиях.
4. Эльбор
Эльбор иначе называют кингсонгит и боразон. Материал этот практически такой же твердый, как и алмаз. Благодаря этому он широко используется в обработке различных твердых сплавов. Эльбор является природной модификацией нитрида бора.
Эльбор — единственное соединение бора, которой образуется в недрах нашей планеты. Остальные минералы, в состав которых входит бор, зарождаются около поверхности Земли.
Эльбор удалось обнаружить в части земной коры, которая в ходе эволюции планеты словно бы «нырнула» под соседнюю литосферную плиту. На глубине более трех сотен километров при температуре около 1200 градусов произошли химические превращения, в результате которых и появился этот сверхтвердый минерал. Случилось это примерно 180 миллионов лет назад.
5. Нитрил бора
Это вещество появилось сравнительно недавно: оно было синтезировано в лабораторных условиях в 1957 году, и оказалось значительно тверже алмаза. Одновременно оно превосходит его и по ряду других свойств. Например, при воздействии сверхвысоких температур вещество не растворяется в металлах, благодаря чему может использоваться для обработки стали. Слой нитрила углерода-бора наносится на инструмент в качестве режущей кромки для обработки всевозможных деталей, использующихся в самолетах и космических кораблях.
Природа удивительна и нас ждет еще множество невероятных открытий. Алмаз — далеко не самое твердое в мире вещество. Правда, поспорить с ним по красоте и привлекательности другим минералам непросто. Хотя нельзя исключать, что рано или поздно в продаже появятся обручальные кольца с фуллеритом или лонсдейлитом.
Топ-25: самые прочные и твердые материалы, известные науке
Окружающий нас мир таит в себе еще множество загадок, но даже давно известные ученым явления и вещества не перестают удивлять и восторгать. Мы любуемся яркими красками, наслаждаемся вкусами и используем свойства всевозможных веществ, делающих нашу жизнь комфортнее, безопаснее и приятнее. В поисках самых надежных и крепких материалов человек совершил немало восторгающих открытий, и перед вами подборка как раз из 25 таких уникальных соединений!
25. Алмазы 
Фото: pixabay
Об этом точно знают если не все, то почти все. Алмазы – это не только одни из самых почитаемых драгоценных камней, но и один из самых твердых минералов на Земле. По шкале Мооса (шкала твёрдости, в которой оценка дается по реакции минерала на царапание) алмаз числится на 10 строчке. Всего в шкале 10 позиций, и 10-ая – последняя и самая твердая степень. Алмазы такие твердые, что поцарапать их можно разве что другими алмазами.
24. Ловчие сети паука вида Caerostris darwini 
Фото: pixabay
В это сложно поверить, но сеть паука Caerostris darwini (или паук Дарвина) крепче стали и тверже кевлара. Эту паутину признали самым твердым биологическим материалом в мире, хотя сейчас у нее уже появился потенциальный конкурент, но данные еще не подтверждены. Паучье волокно проверили на такие характеристики, как разрушающая деформация, ударная вязкость, предел прочности и модуль Юнга (свойство материала сопротивляться растяжению, сжатию при упругой деформации), и по всем этим показателям паутина проявила себя удивительнейшим образом. Вдобавок ловчая сеть паука Дарвина невероятно легкая. Например, если волокном Caerostris darwini обернуть нашу планету, вес такой длинной нити составит всего 500 граммов. Таких длинных сетей не существует, но теоретические подсчеты просто поражают!
Эта синтетическая пена – один из самых легких волокнистых материалов в мире, и она представляет собой сеть углеродных трубочек диаметром всего в несколько микронов. Аэрографит в 75 раз легче пенопласта, но при этом намного прочнее и пластичнее. Его можно сжать до размеров, в 30 раз меньших первоначального вида, без какого-либо вреда для его чрезвычайно эластичной структуры. Благодаря этому свойству аэрографитная пена может выдержать нагрузку, в 40 000 раз превышающую ее собственный вес.
22. Палладиевое металлическое стекло 
Фото: pixabay
Команда ученых их Калифорнийского технического института и Лаборатории Беркли (California Institute of Technology, Berkeley Lab) разработала новый вид металлического стекла, совместивший в себе практически идеальную комбинацию прочности и пластичности. Причина уникальности нового материала кроется в том, что его химическая структура успешно скрадывает хрупкость существующих стеклообразных материалов и при этом сохраняет высокий порог выносливости, что в итоге значительно увеличивает усталостную прочность этой синтетической структуры.
21. Карбид вольфрама 
Фото: pixabay
Карбид вольфрама – это невероятно твердый материал, обладающий высокой износостойкостью. В определенных условиях это соединение считается очень хрупким, но под большой нагрузкой оно показывает уникальные пластические свойства, проявляющиеся в виде полос скольжения. Благодаря всем этим качествам карбид вольфрама используется в изготовлении бронебойных наконечников и различного оборудования, включая всевозможные резцы, абразивные диски, свёрла, фрезы, долота для бурения и другие режущие инструменты.
20. Карбид кремния 
Фото: Tiia Monto
Карбид кремния – один из основных материалов, используемых для производства боевых танков. Это соединение известно своей низкой стоимостью, выдающейся тугоплавкостью и высокой твердостью, и поэтому оно часто используется в изготовлении оборудования или снаряжения, которое должно отражать пули, разрезать или шлифовать другие прочные материалы. Из карбида кремния получаются отличные абразивы, полупроводники и даже вставки в ювелирные украшения, имитирующие алмазы.
19. Кубический нитрид бора 
Фото: wikimedia commons
Кубический нитрид бора – это сверхтвердый материал, по своей твердости схожий с алмазом, но обладающий и рядом отличительных преимуществ – высокой температурной устойчивости и химической стойкости. Кубический нитрид бора не растворяется в железе и никеле даже под воздействием высоких температур, в то время как алмаз в таких же условиях вступает в химические реакции достаточно быстро. На деле это выгодно для его использования в промышленных шлифовальных инструментах.
18. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности (СВМПЭ), марка волокон «Дайнима» (Dyneema) 
Фото: Justsail
Полиэтилен с высоким модулем упругости обладает чрезвычайно высокой износостойкостью, низким коэффициентом трения и высокой вязкостью разрушения (низкотемпературная надёжность). Сегодня его считают самым прочным волокнистым веществом в мире. Самое удивительное в этом полиэтилене то, что он легче воды и одновременно может останавливать пули! Тросы и канаты из волокон Дайнима не тонут в воде, не нуждаются в смазке и не меняют свои свойства при намокании, что очень актуально для судостроения.
17. Титановые сплавы 
Фото: Alchemist-hp (pse-mendelejew.de)
Титановые сплавы невероятно пластичные и демонстрируют удивительную прочность во время растяжения. Вдобавок они обладают высокой жаропрочностью и коррозионной стойкостью, что делает их крайне полезными в таких областях, как авиастроение, ракетостроение, судостроение, химическое, пищевое и транспортное машиностроение.
16. Сплав Liquidmetal 
Фото: pixabay
Разработанный в 2003 году в Калифорнийском техническом институте (California Institute of Technology), этот материал славится своей силой и прочностью. Название соединения ассоциируется с чем-то хрупким и жидким, но при комнатной температуре оно на самом деле необычайно твердое, износостойкое, не боится коррозии и при нагревании трансформируется, как термопласты. Основными сферами применения пока что являются изготовление часов, клюшек для гольфа и покрытий для мобильных телефонов (Vertu, iPhone).
15. Наноцеллюлоза 
Фото: pixabay
Наноцеллюлозу выделяют из древесного волокна, и она представляет собой новый вид деревянного материала, который прочнее даже стали! Вдобавок наноцеллюлоза еще и дешевле. Инновация имеет большой потенциал и в будущем может составить серьезную конкуренцию стеклу и углеволокну. Разработчики считают, что этот материал вскоре будет пользоваться большим спросом в производстве армейской брони, супергибких экранов, фильтров, гибких батареек, абсорбирующих аэрогелей и биотоплива.
14. Зубы улиток вида «морское блюдечко» 
Фото: pixabay
Ранее мы уже рассказали вам о ловчей сети паука Дарвина, которую некогда признали самым прочным биологическим материалом на планете. Однако недавнее исследование показало, что именно зубы морского блюдечка – наиболее прочная из известных науке биологических субстанций. Да-да, эти зубки прочнее паутины Caerostris darwini. И это неудивительно, ведь крошечные морские создания питаются водорослями, растущими на поверхности суровых скал, и чтобы отделить пищу от горной породы, этим зверькам приходится потрудиться. Ученые полагают, что в будущем мы сможем использовать пример волокнистой структуры зубов морских блюдечек в машиностроительной промышленности и начнем строить автомобили, лодки и даже воздушные суда повышенной прочности, вдохновившись примером простых улиток.
13. Мартенситно-стареющая сталь 
Фото: pixabay
Мартенситно-стареющая сталь – это высокопрочный и высоколегированный сплав, обладающий превосходной пластичностью и вязкостью. Материал широко распространен в ракетостроении и используется для изготовления всевозможных инструментов.
12. Осмий 
Фото: Periodictableru / www.periodictable.ru
Осмий – невероятно плотный элемент, и благодаря своей твердости и высокой температуре плавления он с трудом поддается механической обработке. Именно поэтому осмий используют там, где долговечность и прочность ценятся больше всего. Сплавы с осмием встречаются в электрических контактах, ракетостроении, военных снарядах, хирургических имплантатах и применяются еще во многих других областях.
11. Кевлар 
Фото: wikimedia commons
Кевлар – это высокопрочное волокно, которое можно встретить в автомобильных шинах, тормозных колодках, кабелях, протезно-ортопедических изделиях, бронежилетах, тканях защитной одежды, судостроении и в деталях беспилотных летательных аппаратов. Материал стал практически синонимом прочности и представляет собой вид пластика с невероятно высокой прочностью и эластичностью. Предел прочности кевлара в 8 раз выше, чем у стального провода, а плавиться он начинает при температуре в 450℃.
10. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности, марка волокон «Спектра» (Spectra) 
Фото: Tomas Castelazo, www.tomascastelazo.com / Wikimedia Commons
СВМПЭ – это по сути очень прочный пластик. Спектра, марка СВМПЭ, – это в свою очередь легкое волокно высочайшей износостойкости, в 10 раз превосходящее по этому показателю сталь. Как и кевлар, спектра используется в изготовлении бронежилетов и защитных шлемов. Наряду с СВМПЭ марки дайнимо спектра популярна в судостроении и транспортной промышленности.
9. Графен 
Фото: pixabay
Графен – это аллотропная модификация углерода, и его кристаллическая решетка толщиной всего в один атом настолько прочная, что она в 200 раз тверже стали. Графен с виду похож на пищевую пленку, но порвать его – практически непосильная задача. Чтобы пробить графеновый лист насквозь, вам придется воткнуть в него карандаш, на котором должен будет балансировать груз весом с целый школьный автобус. Удачи!
8. Бумага из углеродных нанотрубок 
Фото: pixabay
Благодаря нанотехнологиям ученым удалось сделать бумагу, которая в 50 тысяч раз тоньше человеческого волоса. Листы из углеродных нанотрубок в 10 раз легче стали, но удивительнее всего то, что по прочности они превосходят сталь в целых 500 раз! Макроскопические пластины из нанотрубок наиболее перспективны для изготовления электродов суперконденсаторов.
7. Металлическая микрорешетка 
Фото: pixabay
Перед вами самый легкий в мире металл! Металлическая микрорешетка – это синтетический пористый материал, который в 100 раз легче пенопласта. Но пусть его внешний вид не вводит вас в заблуждение, ведь эти микрорешетки заодно и невероятно прочные, благодаря чему они обладают большим потенциалом для использования во всевозможных инженерных областях. Из них можно изготавливать превосходные амортизаторы и тепловые изоляторы, а удивительная способность этого металла сжиматься и возвращаться в своё первоначальное состояние позволяет использовать его для накопления энергии. Металлические микрорешетки также активно применяются в производстве различных деталей для летательных аппаратов американской компании Boeing.
6. Углеродные нанотрубки 
Фото: User Mstroeck / en.wikipedia
Выше мы уже рассказывали про сверхпрочные макроскопические пластины из углеродных нанотрубок. Но что же это за материал такой? По сути это свернутые в трубку графеновые плоскости (9-ый пункт). В результате получается невероятно легкий, упругий и прочный материал широкого спектра применения.
5. Аэрографен 
Фото: wikimedia commons
Известный также как графеновый аэрогель, этот материал чрезвычайно легкий и прочный одновременно. В новом виде геля жидкая фаза полностью заменена на газообразную, и он отличается сенсационной твердостью, жаропрочностью, низкой плотностью и низкой теплопроводностью. Невероятно, но графеновый аэрогель в 7 раз легче воздуха! Уникальное соединение способно восстанавливать свою изначальную форму даже после 90% сжатия и может впитывать такое количество масла, которое в 900 раз превышает вес используемого для абсорбции аэрографена. Возможно, в будущем этот класс материалов поможет в борьбе с такими экологическими катастрофами, как разливы нефти.
4. Материал без названия, разработка Массачусетского технологического института (MIT) 
Фото: pixabay
Пока вы читаете эти строки, команда ученых из MIT работает над усовершенствованием свойств графена. Исследователи заявили, что им уже удалось преобразовать двумерную структуру этого материала в трехмерную. Новая графеновая субстанция еще не получила своего названия, но уже известно, что ее плотность в 20 раз меньше, чем у стали, а ее прочность в 10 раз выше аналогичной характеристики стали.
3. Карбин 
Фото: Smokefoot
Хоть это и всего лишь линейные цепочки атомов углерода, карбин обладает в 2 раза более высоким пределом прочности, чем графен, и он в 3 раза жестче алмаза!
2. Нитрид бора вюрцитной модификации 
Фото: pixabay
Это недавно открытое природное вещество формируется во время вулканических извержений, и оно на 18% тверже алмазов. Впрочем, алмазы оно превосходит еще по целому ряду других параметров. Вюрцитный нитрид бора – одна из всего 2 натуральных субстанций, обнаруженных на Земле, которая тверже алмаза. Проблема в том, что таких нитридов в природе очень мало, и поэтому их непросто изучать или применять на практике.
1. Лонсдейлит 
Фото: pixabay
Известный также как алмаз гексагональный, лонсдейлит состоит из атомов углерода, но в случае данной модификации атомы располагаются несколько иначе. Как и вюрцитный нитрид бора, лонсдейлит – превосходящая по твердости алмаз природная субстанция. Причем этот удивительный минерал тверже алмаза на целых 58%! Подобно нитриду бора вюрцитной модификации, это соединение встречается крайне редко. Иногда лонсдейлит образуется во время столкновения с Землей метеоритов, в состав которых входит графит.
Самое твердое вещество
Наиболее твёрдым из существующих на сегодняшний день материалов является ультратвёрдый фуллерит (примерно в 1,17—1,52 твёрже алмаза). Однако этот материал доступен только в микроскопических количествах. Самым же твёрдым из распространённых веществ является алмаз. Кроме того, существует информация, что группе американских и китайских ученых удалось доказать, что специально обработанный лонсдейлит на 58% тверже алмаза.
Фуллерит — это молекулярный кристалл, в узлах решётки которого находятся молекулы фуллерена.
Алмаз — минерал, одна из аллотропных форм углерода.
Твёрдость — свойство материала сопротивляться проникновению в него другого, более твёрдого тела.
И. В. ЗОЛОТУХИН, Воронежский технический университет
Новая форма углерода является новой по существу [2]. В противоположность первым двум, графиту и алмазу, структура которых представляет собой периодическую решетку атомов, третья форма чистого углерода является молекулярной. Это означает, что минимальным элементом ее структуры является не атом, а молекула углерода. Да какая молекула! Оказывается, молекулы чистого углерода представляют собой замкнутую поверхность, имеющую форму сферы или сфероида. Такие молекулы назвали фуллеренами в честь американского изобретателя и архитектора Ричарда Бакминстера Фуллера, получившего в 1954 году патент на строительные конструкции в виде шестиугольников и пятиугольников, составляющих полусферу или полусфероид, которые можно использовать в качестве крыш больших зданий (цирки, выставочные павильоны и др.).
Основным элементом структуры фуллеренов является шестиугольник, в вершинах которого расположены атомы углерода. Как мы видели ранее, подобные шестиугольники также характерны для структуры графита. Исходя из этого, логично предположить, что графит должен использоваться как исходное сырье для синтеза фуллеренов. Так и происходит на самом деле. В настоящее время твердо установлено, что наиболее эффективным способом получения фуллеренов является термическое разложение слоистой структуры графита на малые фрагменты, из которых затем происходит формирование C60 и других замкнутых молекул углерода.
Таким образом, структурные элементы фуллеренов подобны структурным элементам графита. Плоская сетка шестиугольников (в случае графита) свернута и сшита в замкнутую сферу или сфероид. При этом часть шестиугольников преобразуется в пятиугольники.
ПОЛУЧЕНИЕ ФУЛЛЕРЕНОВ И ФУЛЛЕРИТА
При выпаривании раствора чистого C60 образуется новое кристаллическое вещество, которое получило название «фуллерит». Впервые твердый фуллерит наблюдали Кречмер и Хуффман в мае 1990 года в одной из лабораторий Института ядерной физики в г. Гейдельберге (Германия). Фуллерит является третьей формой