Алмазы от природы твердые, но есть ли что-нибудь на Земле, в космосе или в лаборатории что-нибудь более твердое?
Бриллианты ценятся за свою твердость. В ювелирных изделиях они могут служить поколениями и не поддаваться царапинам при ежедневном ношении. Нанесенные на лезвия и сверла, они могут проникать практически во все, не разрушаясь. В качестве порошка алмазы полируют драгоценные камни, металлы и другие материалы.
Так есть ли что-нибудь тверже алмаза? Оказывается, ответить на этот вопрос довольно сложно.
По словам Ричарда Кэйнера, химика-материаловеда из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, для большинства практических целей алмаз все еще остается самым твердым материалом. Есть способы создания алмазов, более твердых, чем натуральные драгоценные алмазы. Есть и другие материалы, которые теоретически могут быть тверже алмаза, но они не существуют в форме, которую можно было бы подержать в руках или использовать в промышленных масштабах.
Хотя каждый, кто носит кольцо с бриллиантом, может подтвердить долговечность этого кристалла, важно понимать, что понятие “твердость” для ученых означает нечто очень специфическое, говорит Пол Асимоу, геохимик из Калифорнийского технологического института. Ее часто путают с другими качествами, такими как жесткость или прочность. Эти факторы иногда, но не всегда, коррелируют с твердостью.
Например, алмаз очень тверд, но обладает лишь умеренной жесткостью. При этом его удивительно легко разбить: он легко раскалывается вдоль своих кристаллических граней, что позволяет огранщикам создавать красивые, многогранные сверкающие бриллианты.
Ученые измеряют твердость несколькими различными способами. Геологи часто используют сравнительную метрику, называемую шкалой твердости Мооса, которая позволяет идентифицировать минералы в полевых условиях по тому, могут ли они поцарапать друг друга. Алмаз имеет 10 баллов – верхний предел шкалы, то есть он может царапать практически все. А у мягкого рассыпчатого талька всего 1 балл.
В лабораторных условиях материаловеды используют более точный метод измерения – тест на твердость по Виккерсу, который определяет твердость материала по силе, необходимой для вдавливания его острым наконечником. (Для наглядности представьте себе, что вы вгоняете карандаш в резиновый ластик).
Алмаз состоит из атомов углерода, расположенных в кубической решетке и удерживаемых вместе короткими, прочными химическими связями. Такая структура придает ему знаменитую твердость. Большинство материалов, претендующих на твердость сравнимую с алмазом, получают путем незначительного изменения классической кристаллической структуры алмаза или замены некоторых атомов углерода на атомы бора или азота.
Главным претендентом на звание материала тверже алмаза является лонсдейлит. Лонсдейлит, как и алмаз, состоит из атомов углерода, но они расположены не в кубической, а в гексагональной кристаллической структуре.
“Лонсдейлит очень загадочен, – говорит Асимов. “До недавнего времени его находили в таких ничтожных количествах, в основном в метеоритах, что было непонятно, считать ли его самостоятельным материалом или это просто дефект в стандартной кристаллической структуре алмаза”.
Недавно группа ученых обнаружила в метеоритах кристаллы лонсдейлита микронного размера – все еще крошечные, но гораздо более крупные, чем предыдущие находки. По словам Асимова, это повысило доверие к минералу. Другие ученые даже сообщали о получении лонсдейлита в лабораторных условиях, но кристаллы существовали лишь доли секунды.
Итак, лонсдейлит интригует, но в ближайшее время он не заменит алмаз для таких применений, как резка, сверление или полировка.
Играя с наноразмерной структурой алмаза, можно получить материал, более твердый, чем обычный алмаз. Материал, состоящий из множества крошечных кристаллов алмаза, будет тверже, чем монокристалл драгоценного алмаза, поскольку наноразмерные зерна сцепляются друг с другом, не сдвигаясь друг относительно друга. Сообщается, что “нанодвойники” алмазов, в которых зерна образуют зеркальное отображение друг друга, имеют вдвое большую твердость, чем обычные алмазы .
Однако в конечном итоге большинство ученых стремятся к созданию сверхтвердых материалов не для того, чтобы ставить рекорды, а для того, чтобы создать что-то полезное.
“Материаловеды тратят много времени на изобретение сверхтвердых материалов, которые могут быть изготовлены в больших масштабах”, – сказал Асимов. “И для многих целей твердость, превышающая твердость алмаза, не является критерием разработки”. Ученым может понадобиться что-то почти такое же твердое, как алмаз, но более дешевое или простое в изготовлении в лаборатории.
Например, в лаборатории Кэйнера был создан целый ряд сверхтвердых металлов, которые могут использоваться в промышленности вместо алмаза. Один из них, который сейчас доступен для коммерческого использования, представляет собой комбинацию вольфрама и бора с добавлением нескольких других металлов. Форма кристаллов придает материалу различные свойства в разных направлениях – так, при определенной ориентации он может поцарапать алмаз. Кроме того, он более прост в производстве, в частности, потому, что не требует условий высокого давления, используемых для получения алмазов в лаборатории.
Таким образом, хотя алмаз в различных его формах все еще лидирует по твердости, в будущем ему будет трудно усидеть на троне.
Читайте также: Энигма – самый большой черный природный алмаз в мире