Содержание
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.
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
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.
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
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.
Тверже алмаза: топ 5 самых твердых веществ в мире – Пипсик
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
Это вещество по праву считается самым твердым на Земле. Уникальность этого кристалла в том, что состоит он не из атомов, а из молекул.
Удивительно, но фуллерит царапает алмаз точно так же, как металлический нож оставляет следы на пластиковой поверхности.
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.
10 самых твердых материалов на Земле
Алмаз до сих пор остается эталоном твердости: в различных методиках измерения механической твердости материалов он выступает в роли индентора (методы Роквелла, Виккерса) или эталонной поверхности (метод Мооса). Однако есть материалы, твердость которых выходит за «алмазный предел» или вплотную к нему приближается. Рассказывает Sauap.org.
В нашей статье мы рассмотрим десять самых твердых материалов в мире и посмотрим насколько они тверды относительно алмаза. Материал считается сверхтвердым если его показатели находятся выше 40 ГПа. Нужно учесть, что твердость материала может колебаться в зависимости от внешних факторов, в частности от приложенной к нему нагрузки. Итак, представляем десять самых твердых материалов в мире.
Субоксид бора
Субоксид бора состоит из зерен, имеющих форму выпуклых двадцатигранников. Эти зерна состоят, в свою очередь, из двадцати кристаллов-многогранников, гранями которого являются четыре треугольника. Субоксид бора имеет повышенную прочность в 45 ГПа.
Диборид рения
Диборид рения очень интересный материал. При малых нагрузках он ведет себя как сверхтвердый, имея прочность в 48 ГПа, а при нагрузке его твердость снижается до 22 ГПа. Этот факт вызывает бурные дискуссии у ученых всего мира относительно того стоит ли считать диборид рения сверхтвердым материалом.
Борид магния-алюминия
Борид магния-алюминия составляет собой сплав алюминия, магния и бора. Этот материал имеет невероятно низкие показатели трения скольжения. Это уникальное свойство могло бы стать настоящей находкой в производстве разнообразных механизмов, ведь детали из борида магния-алюминия способны работать без смазки.
К сожалению, сплав невероятно дорог, что на данный момент закрывает ему дорогу к широкому применению. Твердость борид магния-алюминия — 51 ГПа.
Бор-углерод-кремний
Соединение Бор-углерод-кремний обладает невероятной устойчивостью к высочайшим температурам и химическому воздействию. Твердость Бор-углерод-кремния — 70 ГПа.
Карбид бора
Карбид бора был открыт еще в 18 веке и начал использоваться почти сразу во многих отраслях промышленности. Его используют при обработке металлов и сплавов, при изготовлении химической посуды, а также в энергетике и электронике. Используется как основное вещество для пластин бронежилетов. Твердость карбида бора составляет 49 ГПа, а добавляя в него аргон в виде ионов, можно увеличить этот показатель до 72 ГПа.
Нитрид углерода-бора
Нитрид углерода-бора является одним из представителей достижений современной химии, он был синтезирован сравнительно недавно Твердость нитрид углерода-бора — 76 ГПа.
Наноструктурированный кубонит
Наноструктурированный кубонит имеет и другие названия: кингсонгит, боразон или эльбор. Материал обладает показателями твердости близкими к алмазу и успешно применяется в промышленности при обработке различных металлов и сплавов. Твердость наноструктурированного кубонита — 108 ГПа.
Вюртцитный нитрид бора
Структура кристаллов этого вещества имеет особую вюрцитную форму, она то и позволяет быть ему одним из лидеров по твердости. При приложении нагрузки связи между атомами в кристаллической решетке перераспределяются и твердость материала повышается почти на 75%! Твердость вюрцитного нитрида бора — 114 ГПа.
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 твердости, однако было доказано, что при отсутствии в нем примесей, он будет тверже алмаза! Доказанный показатель твердости лонсдейлита — до 152 Гпа
фото: Образец лонсдейлита, обнаруженный в сибирском кратере Попигай — четвертой по размеру астроблеме в мире
Фуллерит
Пришло время рассмотреть самое твердое 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.
Понравилась статья? Поделитесь с друзьями!
При копировании материала ссылка на сайт Sauap.org обязательна!
Ссылки: http://www.alto-lab.ru/elements/samye-tverdye-materialy-v-mire/, https://www.
popmech.ru/science/16170-rekordnaya-tverdost-10-samykh-tverdykh-materialov-na-zemle/
Главное фото: http://mtdata.ru/u24/photo9A79/20435919412-0/original.jpg
Является ли алмаз самым твердым веществом в мире?
Автор Брайан Бойн (г.г.)
Действительно, алмаз — самый твердый материал в мире. Твердость материала – это свойство, определяемое устойчивостью к царапанью. Вещество можно поцарапать только чем-то равной или большей твердости. Следовательно, только алмаз может поцарапать другой алмаз.
Алмаз занимает первое место по шкале твердости Мооса под номером 10 как самый твердый материал. Шкала Мооса оценивает относительную твердость материалов. Но твердость нелинейна, и подсчитано, что алмаз во много раз тверже следующего по твердости вещества (корунда) при 9.
Означает ли это, что бриллиант не подвержен повреждениям? Ответ – квалифицированное «нет». Бриллианты удивительно долговечны, и их можно носить ежедневно в течение нескольких поколений без малейших повреждений.
Но они также могут отколоться или даже сломаться при определенных условиях.
Алмаз состоит из чистого углерода, а атомная связь атомов делает его самым твердым материалом. Чрезвычайно сильная связь делает алмаз самым твердым среди всех других веществ, но есть одно направление, где связи не такие прочные, и алмаз можно расколоть в этом направлении ударом. Огранщик алмазов учитывает направление, и в результате повреждения из-за расщепления редко встречаются в хорошо ограненных драгоценных камнях.
Наибольший риск для долговечности бриллианта возникает там, где бриллиант касается точки или края по периметру (рундиста). Острия огранки «маркиз», «груша» и «принцесса» более подвержены повреждениям от ударов. Как и любой другой твердый предмет, чем тоньше вы режете его, тем более хрупким он становится. А точки на бриллиантах фантазийной формы должны быть закреплены оправщиком с давлением, что представляет определенный риск. Во время износа эти уголки также могут подвергаться случайному удару и могут быть повреждены.
Единственная точка на круглых камнях находится внизу, которая не видна и не требует установки на нее зубца. Поэтому круглые бриллианты гораздо менее подвержены повреждениям, чем многие другие формы.
Толщина пояса влияет на долговечность. Бриллианты с чрезвычайно тонким рундистом чаще подвержены сколам при закрепке или ежедневном ношении, чем бриллианты с большей толщиной. Это один из факторов, измеряемых во время лабораторной сертификации, и он учитывается при окончательном сорте огранки. Например, бриллиант с чрезвычайно тонким рундистом не может получить идеальную степень огранки в лаборатории AGS.
Чистота также влияет на твердость и долговечность алмаза. Несмотря на то, что алмазы являются самым твердым веществом, они обычно содержат включения. Трещины, перья и другие нарушения кристаллической решетки могут уменьшить способность бриллиантов противостоять царапинам и повреждениям, особенно если такие особенности существуют вблизи точек или на очень тонком рундисте.
В НАЛИЧИИ АЛМАЗЫ
Сравнивать
1,143 H VS1 Круглый Идеальный
A CUT ABOVE®
10 698 долларов США
Светлый Перф. | ||
| польский | ||
| Симметрия | ||
| Глубина % | ||
| Таблица % | ||
| Угол коронки | ||
| Звезда | ||
| Угол павильона | ||
| Корона % | ||
| Нижний пояс | ||
| Размеры | ||
| Флуоресценция | ||
| Средство для очистки глаз | ||
| Посмотреть детали | ||
Сравнивать
1,150 г VS1 Round Ideal
A CUT ABOVE®
11 975 долларов США
Светлый Перф. | ||
| польский | ||
| Симметрия | ||
| Глубина % | ||
| Таблица % | ||
| Угол коронки | ||
| Звезда | ||
| Угол павильона | ||
| Корона % | ||
| Нижний пояс | ||
| Размеры | ||
| Флуоресценция | ||
| Средство для очистки глаз | ||
| Посмотреть детали | ||
Сравнивать
1,126 G SI1 Круглый Идеальный
A CUT ABOVE®
8 411 долларов США
Светлый Перф. | ||
| польский | ||
| Симметрия | ||
| Глубина % | ||
| Таблица % | ||
| Угол коронки | ||
| Звезда | ||
| Угол павильона | ||
| Корона % | ||
| Нижний пояс | ||
| Размеры | ||
| Флуоресценция | ||
| Средство для очистки глаз | ||
| Посмотреть детали | ||
Сравнивать
0,801 I SI1 Круглый Идеальный
A CUT ABOVE®
3695 долларов США
Светлый Перф. | ||
| польский | ||
| Симметрия | ||
| Глубина % | ||
| Таблица % | ||
| Угол коронки | ||
| Звезда | ||
| Угол павильона | ||
| Корона % | ||
| Нижний пояс | ||
| Размеры | ||
| Флуоресценция | ||
| Средство для очистки глаз | ||
| Посмотреть детали | ||
ЗАГРУЗИ БОЛЬШЕ
Ученые обнаружили материал тверже алмаза
Кольцо с бриллиантом.
Ученые подсчитали, что вюрцит, нитрид бора и лонсдейлит (гексагональный алмаз) обладают большей прочностью на вдавливание, чем алмаз. Источник: английская Википедия.
(PhysOrg.com) — В настоящее время алмаз считается самым твердым из известных материалов в мире. Но, учитывая большие давления сжатия под инденторами, ученые подсчитали, что материал, называемый вюртцит-нитрид бора (w-BN), обладает большей прочностью на вдавливание, чем алмаз. Ученые также подсчитали, что другой материал, лонсдейлит (также называемый гексагональным алмазом, так как он сделан из углерода и похож на алмаз), даже прочнее w-BN и на 58 процентов прочнее алмаза, установив новый рекорд.
Этот анализ знаменует собой первый случай, когда материал превосходит алмаз по прочности при тех же условиях нагрузки, объясняют авторы исследования из Шанхайского университета Цзяо Тонг и Университета Невады в Лас-Вегасе.
Исследование опубликовано в недавнем выпуске Physical Review Letters .
«Новый вывод из наших результатов заключается в том, что большие нормальные сжимающие давления под инденторами могут преобразовывать определенные материалы (такие как w-BN и лонсдейлит) в новые сверхтвердые структуры, которые тверже алмаза», — соавтор Чанфэн Чен из Университета Невады, Лас-Вегас, сказал PhysOrg.com . «Это новый механизм, который можно использовать для разработки новых сверхтвердых материалов».
Присоединяйтесь к PhysOrg.com на Facebook
Ученые объясняют, что превосходная прочность w-BN и лонсдейлита обусловлена структурной реакцией материалов на сжатие. Нормальное сжимающее давление под инденторами заставляет материалы претерпевать структурно-фазовое превращение в более прочные структуры, сохраняя объем за счет переворачивания их атомных связей. Ученые объясняют, что w-BN и лонсдейлит имеют тонкие различия в расположении их связей по сравнению с алмазом, что отвечает за их уникальную структурную реакцию.
При больших давлениях сжатия w-BN увеличивает свою прочность на 78 процентов по сравнению с его прочностью до переворачивания связи. Ученые подсчитали, что w-BN достигает прочности на вдавливание 114 ГПа (миллиардов паскалей), что намного превышает 97 ГПа у алмаза при тех же условиях вдавливания. В случае с лонсдейлитом тот же механизм сжатия вызвал переворачивание связей, в результате чего прочность на вдавливание составила 152 ГПа, что на 58 % выше, чем у алмаза.
«Лонсдейлит даже прочнее, чем w-BN, потому что лонсдейлит состоит из атомов углерода, а w-BN состоит из атомов бора и азота», — объяснил Чен. «Связи углерод-углерод в лонсдейлите прочнее, чем связи бор-азот в w-BN. Вот почему алмаз (с кубической структурой) прочнее кубического нитрида бора (c-BN)».
До недавнего времени нормальные сжимающие давления под инденторами не включались в расчеты идеальной прочности кристаллов на сдвиг из первых принципов, но последние разработки позволили исследователям учесть их влияние, что привело к удивительным открытиям, подобным показанному здесь.
Тем не менее, эксперименты с w-BN и лонсдейлитом будут сложными, поскольку оба материала трудно синтезировать в больших количествах. Однако в другом недавнем исследовании был использован многообещающий подход к производству нанокомпозитов w-BN и c-BN, который также может обеспечить способ синтеза нанокомпозитов, содержащих лонсдейлит и алмаз.
Кроме того, показывая лежащий в основе атомистический механизм, который может упрочнять некоторые материалы, эта работа может предложить новые подходы к разработке сверхтвердых материалов. Как объяснил Чен, сверхтвердые материалы, обладающие другими превосходными свойствами, весьма желательны для применения во многих областях науки и техники.
«Высокая твердость — это только одна важная характеристика сверхтвердых материалов», — сказал Чен. «Термическая стабильность является еще одним ключевым фактором, поскольку многие сверхтвердые материалы должны выдерживать экстремально высокие температуры в качестве инструментов для резки и сверления, а также в качестве покрытий, устойчивых к износу, усталости и коррозии, в самых разных областях, от микро- и наноэлектроники до космических технологий.
Для всех сверхтвердых материалов на основе углерода, включая алмаз, их атомы углерода будут реагировать с атомами кислорода при высоких температурах (около 600°C) и станут нестабильными. Поэтому разработка новых, термически более стабильных сверхтвердых материалов имеет решающее значение для высокотемпературных применений. Кроме того, поскольку наиболее распространенные сверхтвердые материалы, такие как алмаз и кубический BN, являются полупроводниками, крайне желательно разработать сверхтвердые материалы, которые являются проводниками или сверхпроводниками. Кроме того, сверхтвердые магнитные материалы являются ключевыми компонентами различных записывающих устройств».
Дополнительная информация: Пан, Цзычэн; Сун, Хонг; Чжан, И; и Чен, Чанфэн. «Тверже алмаза: превосходная прочность на вдавливание вюрцита BN и лонсдейлита». Письма о физическом обзоре 102, 055503 (2009).
Copyright 2009 PhysOrg.com.
Все права защищены. Этот материал нельзя публиковать, транслировать, переписывать или распространять полностью или частично без письменного разрешения PhysOrg.
com.
Узнать больше
Открытие нового способа принести на Землю энергию, питающую солнце и звезды
Цитата :
Ученые обнаружили материал тверже алмаза (12 февраля 2009 г.)
получено 9 октября 2022 г.
с https://phys.org/news/2009-02-scientists-material-harder-diamond.html
Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие
часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.
Действительно ли ученые нашли что-то тверже алмаза?
Спросите большинство людей, какой самый твердый материал на Земле, и они, вероятно, ответят: «Алмаз». Его название происходит от греческого слова ἀδάμας (адамас), означающего «нерушимый» или «непобедимый», и отсюда мы получаем слово «непреклонный». Твердость алмаза придает ему невероятные режущие способности, которые, наряду с его красотой, делают его востребованным на протяжении тысячелетий.
Современные ученые десятилетиями искали более дешевые, твердые и более практичные альтернативы, и каждые несколько лет появляются новости о создании нового «самого твердого материала в мире». Но действительно ли кто-то из этих претендентов на высоте?
Несмотря на свою уникальную привлекательность, алмаз — это просто особая форма или «аллотроп» углерода. В семействе углерода есть несколько аллотропов, включая углеродные нанотрубки, аморфный углерод, алмаз и графит. Все они состоят из атомов углерода, но типы атомных связей между ними различаются, что приводит к различным структурам и свойствам материалов.
Самая внешняя оболочка каждого атома углерода имеет четыре электрона. В алмазе эти электроны разделяются с четырьмя другими атомами углерода, образуя очень прочные химические связи, что приводит к чрезвычайно жесткому тетраэдрическому кристаллу. Именно это простое, прочно связанное устройство делает алмаз одним из самых твердых веществ на Земле.
Насколько сложно?
Испытательная наковальня Виккерса.
R Танака, CC BY
Твердость является важным свойством материалов и часто определяет, для чего они могут быть использованы, но ее также довольно сложно определить. Для минералов твердость царапания является мерой того, насколько он устойчив к царапанию другим минералом.
Существует несколько способов измерения твердости, но обычно для создания вмятины на поверхности материала используется инструмент. Соотношение между площадью поверхности вмятины и силой, приложенной для ее создания, дает значение твердости. Чем тверже материал, тем больше значение. В тесте на твердость по Виккерсу для создания отпечатка используется алмазный наконечник в виде пирамиды с квадратным основанием.
Мягкая сталь имеет значение твердости по Виккерсу около 9 ГПа, а алмаз имеет значение твердости по Виккерсу около 70–100 ГПа. О стойкости алмаза к износу ходят легенды, и сегодня 70% мировых природных алмазов используются в износостойких покрытиях для инструментов, используемых при резке, сверлении и шлифовании, или в качестве добавок к абразивам.
Проблема с алмазом заключается в том, что, хотя он может быть очень твердым, он также удивительно нестабилен. Когда алмаз нагревается на воздухе выше 800 ℃, его химические свойства меняются, что влияет на его прочность и позволяет вступать в реакцию с железом, что делает его непригодным для обработки стали.
Эти ограничения на его использование привели к растущему вниманию к разработке новых, химически стабильных, сверхтвердых материалов в качестве замены. Улучшенные износостойкие покрытия позволяют промышленным инструментам прослужить дольше между заменой изношенных деталей и снижают потребность в охлаждающих жидкостях, потенциально опасных для окружающей среды.
Ученым до сих пор удалось придумать несколько потенциальных конкурентов алмаза.
Нитрид бора
Микроскопический кристалл BN.
NIMSoffice/Викисклад
Синтетический материал нитрид бора, впервые полученный в 1957 году, подобен углероду тем, что имеет несколько аллотропов. В своей кубической форме (c-BN) он имеет ту же кристаллическую структуру, что и алмаз, но вместо атомов углерода состоит из чередующихся атомов бора и азота. c-BN химически и термически стабилен и сегодня широко используется в качестве сверхтвердого покрытия для станков в автомобильной и аэрокосмической промышленности.
Но кубический нитрид бора в лучшем случае остается вторым самым твердым материалом в мире с твердостью по Виккерсу около 50 ГПа. Первоначально сообщалось, что его шестиугольная форма (w-BN) еще тверже, но эти результаты были основаны на теоретическом моделировании, которое предсказывало прочность на вдавливание на 18% выше, чем у алмаза.
К сожалению, w-BN крайне редко встречается в природе, и его трудно производить в достаточных количествах, чтобы должным образом проверить это утверждение экспериментально.
Синтетический алмаз
Синтетический алмаз крупным планом.
Instytut Fizyki Uniwersytet Kazimierza Wielkiego, CC BY
Синтетический алмаз также существует с 1950-х годов, и часто сообщается, что он тверже природного алмаза из-за его другой кристаллической структуры. Его можно получить, применяя к графиту высокое давление и температуру, чтобы заставить его структуру перестроиться в тетраэдрический алмаз, но это медленно и дорого. Другой метод состоит в том, чтобы эффективно построить его с помощью атомов углерода, взятых из нагретых углеводородных газов, но типы материалов подложки, которые вы можете использовать, ограничены.
При синтетическом производстве алмазов создаются поликристаллические камни, состоящие из агрегатов гораздо более мелких кристаллитов или «зерен» размером от нескольких микрон до нескольких нанометров.
Это контрастирует с крупными монокристаллами большинства природных алмазов, используемых в ювелирных изделиях. Чем меньше размер зерна, тем больше границ зерен и тем тверже материал. Недавние исследования некоторых синтетических алмазов показали, что их твердость по Виккерсу достигает 200 ГПа.
Q-углерод
Q-Carbon крупным планом.
Государственный университет Северной Каролины
Совсем недавно исследователи из Университета штата Северная Каролина создали то, что они описали как новую форму углерода, отличающуюся от других аллотропов и, как сообщается, тверже алмаза. Эта новая форма была получена путем нагревания некристаллического углерода мощным быстрым лазерным импульсом до 3700 °C с последующим его быстрым охлаждением или «закалкой» — отсюда и название «Q-углерод» — с образованием алмазов микронного размера.
Ученые обнаружили, что Q-углерод на 60% тверже, чем алмазоподобный углерод (разновидность аморфного углерода со свойствами, подобными алмазу).