Чи є щось твердіше за алмаз?

Діаманти цінуються за свою твердість. У ювелірних виробах вони можуть служити поколінням та протистояти подряпинам при повсякденному носінні. Як леза чи свердла, вони можуть поринути практично у все, не руйнуючись. У вигляді порошку алмази полірують дорогоцінне каміння, метали та інші матеріали.

То чи є щось твердіше за алмаз? Виявляється, знайти відповідь трохи складно.

За словами Річарда Кейнера, хіміка за матеріалами з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі, для більшості практичних цілей алмаз, як і раніше, залишається найтвердішим матеріалом. Існують способи створення алмазів, які твердіші за звичайні дорогоцінні камені. Є й інші матеріали, які теоретично можуть бути твердішими за алмаз, але вони не існують у такій формі, яку можна було б тримати в руці або широко використовувати.

Хоча будь-хто, хто носить каблучку з діамантом, може підтвердити довговічність кристала, важливо розуміти, що «твердість» означає щось дуже специфічне для вчених, каже Пол Азімов, геохімік із Каліфорнійського технологічного інституту. Його часто плутають з іншими якостями, такими як жорсткість чи сила. Ці фактори іноді, але не завжди, корелюють із твердістю.

Діамант, наприклад, дуже твердий, але лише помірно жорсткий. І його напрочуд легко зламати: він легко розсипається по краях кристала, і саме так огранювачі дорогоцінного каміння можуть створювати красиві багатогранні діаманти, які сяють.

Вчені вимірюють твердість кількома різними способами. Геологи часто покладаються на порівняльну метрику, яку називають шкалою твердості Мооса, — спосіб ідентифікувати мінерали в польових умовах на основі того, чи можуть вони подряпати один одного. Діамант має оцінку 10 — найвищу оцінку, що означає, що він може подряпати практично все. М’який розсипчастий тальк — 1.

У лабораторії вчені-матеріалознавці покладаються на точніший вимір, званий тестом на твердість за Віккерсом, який визначає твердість матеріалу на основі сили, необхідної для вдавлювання його загостреним наконечником. (Щоб уявити це, уявіть, що ви встромляєте олівець у гумову гумку.)

Алмаз складається з атомів вуглецю, розташованих у кубічній решітці, скріплених короткими міцними хімічними зв’язками. Ця структура надає йому знаменитої твердості. Більшість матеріалів, які стверджують, що вони твердіші за алмаз, отримані в результаті незначної зміни класичної кристалічної структури алмазу або заміни деяких атомів вуглецю на такі атоми, як бор або азот.

Головним претендентом на матеріал твердіше алмазу є лонсдейліт. Як і алмаз, лонсдейліт складається з атомів вуглецю, але вони мають гексагональну кристалічну структуру, а не кубічну.

«Лонсдейліт дуже загадковий», — сказав Азімов Live Science. Донедавна його знаходили в таких крихітних кількостях, в основному всередині метеоритів, що було неясно, чи вважати його окремим матеріалом, чи це просто дефект стандартної кристалічної структури алмазу.

Нещодавно група вчених виявила в метеоритах кристали лонсдейліту мікронного розміру — ще крихітні, але набагато більші кристали, ніж попередні знахідки. За словами Азимоу, це надало мінералу більше довіри. Інші вчені повідомляли про створення лонсдейліту в лабораторії, хоча кристали існували лише секунди.

Отже, лонсдейліт інтригує, але найближчим часом він не замінить алмаз для таких застосувань, як різання, свердління або полірування.

Граючи з наноструктурою алмазу, можна також отримати матеріал, який твердіший за звичайний алмаз. Матеріал, що складається з безлічі крихітних кристалів алмазу, буде твердішим, ніж монокристалічний алмаз ювелірної якості, тому що нанорозмірні зерна блокуються, а не проходять повз один одного. Повідомляється, що «нанодвійники» алмазів, у яких зерна утворюють дзеркальне відображення один одного, мають удвічі більшу твердість, ніж звичайні алмази.

Однак зрештою більшість учених займаються пошуком надтвердих матеріалів не тільки для того, щоб встановити рекорди — вони намагаються створити щось корисне.

«Матеріалознавці витрачають багато часу на винахід надтвердих матеріалів, які можна виробляти у великих масштабах», — сказав Азимоу. «І в багатьох випадках твердіше алмазу не є критерієм дизайну». Вченим може знадобитися щось майже таке ж тверде, як алмаз, але дешевше чи простіше у виготовленні в лабораторії.

Наприклад, лабораторія Канера створила безліч надтвердих металів, які можна використовувати у промисловості замість алмазу. Той, який зараз комерційно доступний, є комбінацією вольфраму і бору з додаванням кількох інших металів. Форма кристалів надає матеріалу різні властивості у різних напрямках — тому, якщо його тримати у правильній орієнтації, він може подряпати алмаз. Кейнер розповів Live Science. Його створення також доступніше, частково тому, що воно не вимагає умов високого тиску, які використовуються під час виробництва алмазів у лабораторії, зазначив він.

Таким чином, хоча алмаз у багатьох його формах, як і раніше, лідирує з погляду твердості, класичний матеріал у майбутньому зіткнеться з проблемами на своєму троні. Джерело