Всем известно, что на настоящий момент алмаз является эталоном твёрдости, т.е. при определении твёрдости материала за основу берется показатель твёрдости алмаза. В нашей статье мы рассмотрим десять самых твёрдых материалов в мире и посмотрим насколько они тверды относительно алмаза. Материал считается сверхтвёрдым если его показатели находятся выше 40 ГПа. Нужно учесть, что твёрдость материала может колебаться в зависимости от внешних факторов, в частности от приложенной к нему нагрузки. Итак, представляем десять самых твёрдых материалов в мире.
Лонсдейлит
Лонсдейлит по своей структуре очень похож на алмаз, ведь они оба являются аллотропными модификациями углерода. Лонсдейлит был обнаружен в воронке метеорита, одним из компонентов которого являлся графит. По всей видимости от нагрузок, вызванных взрывом метеорите, графит превратился в лонсдейлит. При обнаружении лонсдейлит не продемонстрировал особых чемпионских показателей твёрдости, однако было доказано, что при отсутствии в нём примесей, он будет твёрже алмаза! Доказанный показатель твердости лонсдейлита — до 152 ГПа
Топ-10 самых твёрдых материалов на Земле
Алмаз до сих пор остается эталоном твёрдости и используется в различных методиках измерения механической твёрдости материалов (методы Роквелла, Виккерса, Мооса). Но существуют материалы, не только сравнимые по твердости с алмазом, но и превосходящие его по этой характеристике.
В статье журнала «Популярная механика» для сравнения материалов приведена их микротвёрдость по Виккерсу. Сверхтвёрдыми считаются материалы, твёрдость которых превышает 40 ГПа. Для «эталонного» алмаза этот показатель может колебаться в пределах 70 -150 ГПа в зависимости от его чистоты и метода получения (как правило, приводится величина твёрдости алмаза 115 ГПа). То же самое относится и к другим материалам: их твёрдость меняется в зависимости от условий синтеза образца, а иногда варьируется и в зависимости от направления приложенной к нему нагрузки.
1. Фуллерит (до 310 ГПа)
Полимеризованный фуллерит — самое твёрдое вещество, известное науке на данный момент. Он представляет собой молекулярный кристалл — структуру, в узлах которой находятся не отдельные атомы, а целые молекулы (фуллерены — одна из аллотропных модификаций углерода, по форме напоминающая футбольные мячики). Фуллерит оставляет царапины на алмазной поверхности, как на пластмассе.
2. Лонсдейлит (до 152 ГПа)
Предсказание существования лонсдейлита практически совпало по времени с его обнаружением в природе. Эта аллотропная модификация углерода, во многом похожая на алмаз, была найдена в метеоритном кратере. Но природный лонсдейлит, который, вероятно, образовался из графита, входившего в состав метеорита, не отличался рекордной твёрдостью. Лишь в 2009 году ученые доказали, что в отсутствии примесей лонсдейлит может быть твёрже алмаза. Высокую твёрдость ему придает примерно тот же механизм, который действует в случае вюртцитного нитрида бора.
3. Вюртцитный нитрид бора (до 114 ГПа)
Нитрид бора с вюртцитной (плотной гексагональной) кристаллической структурой твёрже, чем кажется: в момент приложения нагрузки он претерпевает локальные структурные модификации, межатомные связи в его решетке перераспределяются, и твёрдость материала вырастает на 78%.
4. Наноструктурированный кубонит (до 108 ГПа)
Кубический нитрид бора был впервые получен в 1957 году Робертом Венторфом (Robert H. Wentorf Jr.) для компании General Electric. В 1969 году компания зарегистрировала торговую марку «Боразон» для кристалла.
В СССР кубический нитрид бора был впервые синтезирован в Институте физики высоких давлений Академии наук под руководством академика Л. Ф. Верещагина. С 1965 года эльбор синтезировался в промышленных масштабах по технологии Абразивного (Ленинград).
Уникальные свойства кубонита (также известного под названиями эльбора, боразона и кингсонгита) широко используются в промышленности. Твёрдость кубонита (кубической модификации нитрида бора) близка к алмазной и составляет 80−90 ГПа. В силу закона Холла-Петча, уменьшение размера кристаллических зерен ведет к увеличению твёрдости, и ученые доказали, что наноструктурирование кубонита способно увеличить его твёрдость до 108 ГПа.
5. Нитрид углерода-бора (до 76 ГПа)
Атомы азота, углерода и бора близки по размерам. Углерод и бор образуют схожие кристаллические структуры, отличающиеся высокой твёрдостью. Ученые предпринимают попытки синтезировать сверхтвёрдые материалы, состоящие из атомов всех трех типов — и не безуспешно: например, кубическая модификация BC2N демонстрирует твёрдость 76 Гпа.
6. Карбид бора (до 72 ГПа)
Карбид бора — распространенный в современной промышленности материал — был получен еще в позапрошлом веке. Его микротвёрдость (49 ГПа) может быть значительно повышена введением в кристаллическую решетку ионов аргона — до 72 ГПа.
7. Бор-углерод-кремний (до 70 ГПа)
Сплавы на основе системы бор-углерод-кремний чрезвычайно устойчивы к химическому воздействию и высокой температуры, они отличаются высокой микротвёрдостью, достигающей 70 ГПа (для B4C-B4Si)
8. Борид магния-алюминия (до 51 ГПа)
Сплав бора, магния и алюминия известен своим низким коэффициентом трения скольжения (если бы этот материал не был так дорог, его можно было бы использовать для изготовления машин и механизмов, работающих без смазки) и высокой твёрдостью. Тонкие пленки AlMgB14, полученные методомимпульсного лазерного напыления, демонстрируют микротвёрдость до 51 ГПа.
9. Диборид рения (до 48 ГПа)
Механические свойства соединения бора и рения весьма необычны: из-за послойного чередования различных атомов диборид рения анизотропен, т. е.при измерении твёрдости по различным кристаллографическим плоскостям получаются разные значения. При испытаниях под малой нагрузкой диборид рения демонстрирует твёрдость 48 ГПа, однако при увеличении нагрузки значение твёрдости резко падает, устанавливаясь на уровне примерно 22 ГПа. Поэтому некоторые исследователи сомневаются, нужно ли причислять диборид рения к сверхтвёрдым материалам.
10. Монокристаллический субоксид бора (до 45 ГПа)
Субоксид бора, содержащий «недостаточное» количество атомов кислорода, явно демонстрирует свойства керамических материалов: высокую прочность, химическую инертность, устойчивость к истиранию при относительно невысокой плотности. Субоксид бора способен образовывать зерна в форме икосаэдров, которые не являются ни отдельными кристаллами, ни квазикристаллами — это кристаллы-двойники, стоящие из 20 «сросшихся» кристаллов-тетраэдров. Твёрдость монокристаллов субоксида бора составляет 45 ГПа.
Фуллерит
Пришло время рассмотреть самое твёрдое вещество в мире — фуллерит. Фуллерит — это кристалл, который состоит из молекул, а не из отдельных атомов. Благодаря этому фуллерит обладает феноменальной твердостью, он способен легко царапать алмаз, также как сталь царапает пластик! Твердость фуллерита — 310 ГПа.
Фуллерит
Мы привели список самых твёрдых материалов в мире на данный момент. Как видим, среди них достаточно веществ твёрже алмаза и ,возможно, нас ждут впереди ещё новые открытия, которые позволят получить материалы с ещё более высокими показателями твёрдости!
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.
Углерод и его твёрдые аллотропные модификации
Углерод принято считать наиболее распространённым элементом во вселенной. В природе его круговорот обеспечивается посредством углекислого газа, который поглощают растения при фотосинтезе. На основании углеродных атомов формируются органические вещества. Всевозможные углеродные цепи являются основой жизни на нашей планете.
Если рассматривать физико-химические свойства углерода, то на его внешнем атомарном уровне располагается четыре электрона. За счёт своей уникальной природы он может служить основой для самых разных химических соединений. Поэтому углерод является основой не только органических, но также искусственных образцов.
Углерод имеет аллотропные модификации, сформированные методом гибридизации. Всего известно три типа гибридизации:
- тетраэдрическая;
- диагональная;
- тригональная.
Аллотропами называется совокупность всех модификаций для одного элемента. Так к числу тетраэдрических углеродных аллотропов относят лонсдейлит и алмаз. Тригональных модификаций в природе на порядок больше, и к ним относятся:
- астрален;
- графит;
- наноконусы/трубки;
- фуллерен.
- К числу диагональных гибридных структур можно отнести:
- нанопену;
- уголь;
- нановолокно;
- стеклоуглерод.
У каждой аллотропной модификации присутствуют свои физико-механические свойства. Так, кристаллическая решётка лонсдейлита более разряженная, и по шкале Мооса он занимает 8 позицию. Вместе с тем по показателю преломления он идентичен алмазу.
Синтезирование алмазов
При столь интенсивном спросе на самый твердый драгоценный минерал остро встал вопрос о его искусственном синтезировании. Отметим, что никакие запасы камней не в состоянии удовлетворить все нарастающую потребность. И после длительных экспериментов ученым удалось создать аналог природного алмаза, обладающий всеми необходимыми особенностями. К сегодняшнему дню производство искусственных алмазов для промышленных нужд уже стало обыденной практикой.
Существует несколько методик синтезирования этого минерала. Первая – наиболее приближенная к его формированию в естественной среде. Синтез производят, используя сверхвысокую температуру и огромное давление. Вторая методика позволяет извлекать алмаз из пара. Она используется в пленочной технологии – кристаллы тончайшей пленкой наносят на режущие кромки инструментов. Особенно этот метод востребован в изготовлении хирургических инструментов. А третий производит россыпь мелких кристаллов при помощи детонации и быстрого охлаждения.
Эксперименты продолжались, и был синтезирован нитрид бора, который на 20% тверже природного алмаза. Однако пока этого вещества настолько мало, что алмаз традиционно продолжают считать самым твердым минералом.
Применение в медицине
Самый твердый минерал в природе подходит не только для использования в обработке грубых и твердых пород. Алмаз также незаменим в медицинских инструментах. Ведь чем тоньше и аккуратнее разрез тканей, тем лучше организм справляется с восстановлением. А для сложных операций на жизненно важных органах ширина разреза и подавно играет решающую роль.
Кроме того, скальпель с тонкой алмазной пленкой на лезвии остается острым на протяжении длительного периода времени.
Ноутбук
Desten CyberBook занимается выпуском многофункциональных устройств, которые обладают повышенной защитой. Такие ноутбуки используются в военной и других сферах промышленности, где требуется высокий уровень надежности. Устройства этой фирмы выдерживают любого рода удары, вибрации, воздействие воды и могут противостоять агрессивным средам. Помимо всего прочего, такой ноутбук обладает очень высокой производительностью.
Самый твердый металл
Среди всех известных металлов самым твердым является хром, однако его твердость во многом зависит от чистоты. Его свойства – коррозионностойкость, жаропрочность и тугоплавкость. Хром – металл беловато-голубого оттенка. Его твердость по Бринеллю равна 70-90 кгc/см2. Температура плавления самого твердого металла – тысяча девятьсот семь градусов по Цельсию при плотности семь тысяч двести кг/м3. Этот металл находится в земной коре в размере 0,02 процента, что немало. Обычно он встречается в виде хромистого железняка. Хром добывают из силикатных горных пород.
Хром считается самым прочным металлом
Этот металл используют в промышленности, выплавляя хромистую сталь, нихром и так далее. Его применяют для антикоррозийных и декоративных покрытий. Хромом очень богаты падающие на Землю каменные метеориты.
Железная береза
Еще одно чудо природы – береза Шмидта. Ее древесина – самый твердый природный материал биологического происхождения. Растет она на Дальнем Востоке в заповеднике Кедровая Падь и внесена в Красную Книгу. Прочность сравнима с железом и чугуном. Но при этом не подвержена коррозии и гниению.
Повсеместному использованию древесины березы Шмидта, которую не пробивают даже пули, препятствует ее исключительная редкость.
