Твердість алмазу можна визначити з допомогою кількох відомих раніше шкал.Твердість мінералів – такий показник, вимірювання якого краще уникати, якщо така можливість є. Щоб перевірити твердість, потрібно дряпати мінерал різними матеріалами. Фрідріх Моос – відомий вчений-мінералог – у 1811 році запропонував використовувати для визначення твердості каміння спеціальну шкалу, яку він вигадав. Згодом її назвали шкалою Мооса.

Що таке твердість? Простими словами, це опір, який чинить мінерал, коли його намагаються подряпати іншим мінералом чи матеріалом. Фрідріх Моос розробив шкалу з коефіцієнтом твердості від 1 до 10, де 1 це тальк, а 10 алмаз. Вчений взяв у свою еталонну шкалу доступні мінерали і побудував їх у лінійку за зростанням опору іншим мінералам. Числа твердості, вказані Моосом, не визначають справжню твердість мінералу.

Діамант – найтвердіший у світі мінерал природного походження, за шкалою Моосу його показник дорівнює 10. Корунд має показник, рівний 9. Вчений вдалося синтезувати карборунд, який перевершує за твердістю корунд, але алмаз він все одно не дряпає. Сталь за твердістю набагато поступається алмазу, її твердість знаходиться в діапазоні від 5,5 до 7,5 в залежності від металу. Твердіше алмазу метал стали зробити не вдалося. Але твердість сталі визначається за допомогою алмазних пластин: наскільки пластинка або пірамідка вдавиться в зразок сталі, така буде твердість. Зараз все частіше на виробництві алмази замінюються сталевими кульками спеціальних сплавів.

Міцність алмазу, або чому алмаз такий твердий

Дуже давно, коли на Землі ще не було життя, а сама планета була молода, на поверхні відбувалися природні процеси. Тектонічна порода знаходилася в розплавленому стані, вона перемішувалась під дією високих температур та пар різних випарів, а потім повільно остигала. Всі ці процеси призвели до формування найтвердішого каменю, який зараз називається алмазом.

Походження назви даного каменю сягає своїм корінням в глибоку давнину, чому його стали називати саме алмазом, до кінця залишається невідомим, але існує ряд припущень:

1. Слово діамант прийшло з Греції. "Адамас" - "твердий", "незламний".
2. "Ал-ма" від перського "твердий".
3. Назва каменю походить від жіночого імені Еліза або Елайза. Повна форма цього імені Єлизавета, означає «Божа милість». За легендою була дівчина, яка мала дар зцілення людей. Ім'я її було Еліза. Вона була міцна душею і тілом, могла своїм умінням підняти на ноги навіть саму тяжкохвору людину. Якось Еліза закохалася в прекрасного юнака, він відповів на її почуття, їхня любов була прекрасна, але тривала недовго. Еліза вирушила в далеку дорогу, щоб поповнити запаси цілющих трав. У цей час її коханий тяжко захворів. Коли Еліза повернулася, він був уже мертвий. Дівчина жила в горах, вона зайшла в одну з печер гірської місцевості та гірко заплакала. Це були найперші її сльози, вони звернулися до каміння, яке потім почали називати алмазами.

Твердість алмазу та графіту

Цікавим фактом є те, що алмаз - найміцніший мінерал, а графіту за шкалою Мооса відповідає число 1, що означає, що він м'який.

Алмаз і графіт складаються з однакових атомів того самого хімічного елемента – вуглецю. Тоді чому одна речовина найм'якша, а інша – найтвердіша? Відповідь дуже проста. Вся справа в хімічних зв'язках чи кристалічних ґратах цих мінералів. Атоми вуглецю по-різному пов'язані між собою, тому вони виявляють різні хімічні та фізичні властивості: мають різний зовнішній вигляд, твердість, пластичність, блиск та інші параметри. Графіт має шарувату структуру. Атоми вуглецю між собою пов'язані слабко, це пояснює те, що графіт дуже м'який.

Лонсдейліт – синтетичний алмаз

У природі немає матеріалу твердіше за алмаз, але наука не стоїть на місці. Вченим вдалося синтезувати речовину, яка є на 58% міцнішою за алмаз. Назва цього матеріалу – лонсдейліт. Він може витримати тиск на 55 ГПа більше, ніж найтвердіший природний мінерал. Але його використання майже неможливе, тому що його дуже важко отримувати. Вартість отримання не виправдовує витрачених коштів, а його застосування немає особливої ​​необхідності. Названий лонсдейліт на честь кристалографа Кетлін Лонсдейл, яка була родом із Британії.

Міцні матеріали мають широкий спектр використання. Є не тільки найтвердіший метал, але й найтвердіша і міцна деревина, а також міцні штучно створені матеріали.

Де використовують найміцніші матеріали?

Надміцні матеріали застосовують у багатьох сферах життя. Так, хіміки Ірландії та Америки розробили технологію, за допомогою якої виготовляється міцне текстильне волокно. Нитка цього матеріалу в діаметрі – п'ятдесят мікрометрів. Вона створена з десятків мільйонів нанотрубок, які за допомогою полімеру скріплені між собою.

Міцність цього електропровідного волокна на розрив вище міцності павутиння павука-кругопряда втричі. Отриманий матеріал використовується для виготовлення надлегких бронежилетів та спортивного інвентарю. Назва ще одного міцного матеріалу – ONNEX, створеного на замовлення Міністерства оборони США. Крім застосування його при виробництві бронежилетів, новий матеріал можна використовувати в системах льотного контролю, сенсорах, двигунах.

Існує розроблена вченими технологія, завдяки якій міцні, тверді, прозорі та легкі матеріали одержують за допомогою перетворення аерогелів. На їх основі можна виробляти полегшені бронежилети, броню для танків та міцні будівельні матеріали.

Новосибірські вчені винайшли плазмовий реактор нового принципу, завдяки якому можна виробляти нанотубулен – надміцний штучний матеріал. Цей матеріал відкрили ще 20 років тому. Він є масою еластичної консистенції. Вона складається зі сплетень, які неможливо побачити неозброєним оком. Товщина стінок цих сплетень - один атом.

Те, що атоми ніби вкладені один в одного за принципом «російської матрьошки», робить нанотубулен найбільш міцним матеріалом з усіх відомих. При додаванні цього матеріалу в бетон, метал, пластик значно посилюються їх міцність і електропровідність. Нанотубулен допоможе зробити машини та літаки міцнішими. Якщо ж новий матеріал прийде у широке виробництво, дуже міцними можуть стати дороги, будинки, техніка. Зруйнувати їх буде дуже складно. Нанотубулен досі не було впроваджено у широке виробництво через дуже високу собівартість. Проте новосибірським вченим удалося значно знизити собівартість цього матеріалу. Тепер нанотубулен можна виготовляти не кілограмами, а тоннами.

Найтвердіший метал

Серед усіх відомих металів найтвердішим є хром, проте його твердість багато в чому залежить від чистоти. Його властивості - корозійностійкість, жароміцність і тугоплавкість. Хром - метал білувато-блакитного відтінку. Його твердість за Брінеллем дорівнює 70-90 кгc/см2. Температура плавлення найтвердішого металу – 1970 градусів за Цельсієм при щільності 7200 кг/м3. Цей метал знаходиться у земній корі у розмірі 0,02 відсотка, що є чимало. Зазвичай він зустрічається у вигляді хромистого залізняку. Хром видобувають із силікатних гірських порід.

Цей метал використовують у промисловості, виплавляючи хромисту сталь, ніхром і так далі. Його застосовують для антикорозійних та декоративних покриттів. Хромом дуже багаті кам'яні метеорити, що падають на Землю.

Найміцніше дерево

Є деревина, яка перевершує міцність чавуну і може зрівнятися з міцністю заліза. Йдеться про «Берез Шмідта». Її також називають Залізною березою. Людина не знає міцнішого дерева, ніж це. Відкрив її російський учений-ботаник на прізвище Шмідт, перебуваючи Далекому Сході.

Деревина перевищує за міцністю чавун у півтора рази, міцність на вигин приблизно дорівнює міцності заліза. Через такі властивості, залізна береза ​​цілком могла б іноді замінювати метал, адже ця деревина не схильна до корозії та гниття. Корпус судна, зроблений із Залізної берези, можна навіть не фарбувати, судно не зруйнує корозія, дія кислот йому теж не страшна.

Березу Шмідта неможливо пробити кулею, сокирою її не зрубаєш. Зі всіх беріз нашої планети довгожителем є саме Залізна береза ​​– вона живе чотириста років. Її місце зростання - заповідник Кедрова Падь. Це рідкісний вид, що охороняється, який занесений в Червону Книгу. Якби не така рідкість, надміцну деревину цього дерева можна було б використовувати.

А ось найвищі дерева у світі секвої не є дуже міцним матеріалом.

Найміцніший матеріал у Всесвіті

Найбільш міцним і водночас легким матеріалом нашого Всесвіту є графен. Це вуглецева пластина, товщина якої всього один атом, але вона міцніша за алмаз, а електропровідність у сто разів вище кремнію комп'ютерних чіпів.

Незабаром графен покине наукові лабораторії. Усі вчені світу говорять сьогодні про його унікальні властивості. Так, кілька грамів матеріалу буде достатньо для покриття цілого футбольного поля. Графен дуже гнучкий, його можна складати, згинати, згортати рулоном.

Можливі сфери його використання – сонячні батареї, мобільні телефони, сенсорні екрани, супершвидкі комп'ютерні чіпи.
Підпишіться на наш канал в Яндекс.Дзен

Дорогоцінний камінь якийсь час тому втратив свій титул найтвердішого матеріалу у світі, поступившись штучним наноматеріалам трохи більшої твердості. Сьогодні рідкісна натуральна речовина, мабуть, залишить всіх інших позаду - вона на 58% твердіша за алмаз.

Зіченг Пен (Zicheng Pan) з Шанхайського університету Цзяо Тун спільно з колегами змоделював, як атоми в двох субстанціях імовірно мають властивості дуже твердих матеріалів реагуватимуть на вплив спеціального датчика.

Екстремальні умови

Перший - вюрцит бор нітрид має подібну до алмазу структуру, але складається з інших атомів.

Другий – мінерал лонсдейліт, або гексагональний алмаз, складається з атомів вуглецю, таких як алмаз, але вони організовані по-іншому.
Моделювання показало, що вюрцит бор нітрид здатний витримати на 18% більше дії, ніж алмаз, а лонсдейліт – на 58% більше. Якщо результати підтвердяться в рамках фізичних експериментів, обидва матеріали виявляться набагато твердішими за будь-яку відому речовину.

Але зробити такі випробування непросто, т.к. обидва матеріали не часто зустрічаються у природі.

Рідкісна речовина лонсдейліт формується, коли метеорити, що містять графіт, падають на Землю, а вюрцит бор нітрид формується в процесі вулканічних вивержень при високих температурах і тиску.

Гнучкість

При успішних результатах вюрцит бор нітрид може стати найбільш застосовним з двох завдяки тому, що він стійкий до кисню при більш високих температурах, ніж алмаз. Це робить його ідеальним для застосування на кінцях ріжучих і свердлильних інструментів, що працюють при дуже високих температурах, або як корозії стійких плівок - на поверхні космічних кораблів, наприклад.

Парадоксально, своєю твердістю вюрцит бор нітрид завдячує гнучкості зв'язків між атомами, що його утворюють. Коли матеріал піддається впливу, деякі зв'язки змінюють напрямок майже на 90º, щоб послабити напругу. Після того, як алмаз і вюрцит бор нітрид були піддані тому самому процесу, щось у структурі вюрцит бор нітриду зробило його майже на 80% твердіше, стверджує співавтор дослідження Чанфенг Чен (Changfeng Chen) з університету Невади в Лас-Вегасі.

Вчені підкреслюють, щоб довести теорію, необхідні монокристали кожного з матеріалів. На даний момент немає способів ізолювати або виростити такі кристали.

На сьогоднішній день не існує єдиної класифікації напівдорогоцінного каміння, є лише умовний поділ. Дізнатися все про камені, їх властивості опису можна на сайті http://www.catalogmineralov.ru/cont/poludragocennye_kamni.htm. Вирішуючи зробити подарунок з напівдорогоцінним каменем близькій людині, спочатку ознайомтеся з цим каменем.

Назвати найтвердішу речовину у світі не так просто, як може здатися спочатку. Справа в тому, що твердість матеріалів може змінюватись в залежності від деяких зовнішніх факторів. Зокрема, вона, як не дивно, може виявитися різною, коли змінюється навантаження, що додається.

Багато років зразком твердості вважався алмаз. Втім, чому вважався? У світі матеріалів його твердість досі залишається зразком. Все, що поступається алмазу у твердості, але наближається до нього за цим показником, називають надтвердим. А речовини, які твердіші за алмаз, несуть горду найменування «ультра міцних».

І тут багато читачів можуть сумніватися. Адже ще недавно навіть у школах вчили, що твердіше алмазу в природі нічого немає, і цю істину запам'ятали багато хто. Але всі істини відносні, як кажуть філософи. Інформація про «самий твердий алмаз» у наш час також зазнала змін.

Так що ж твердіше алмазу?

Почнемо з того, що алмази також бувають різними за твердістю. Твердість матеріалів вимірюється гігапаскалями (ГПа). Так ось, у різних алмазів цей показник може змінюватись від 70 до 150 ГПа. Погодьтеся, розкид дуже суттєвий! Верхня межа міцності належить так званим чорним алмазам, "карбонадо". У природному вигляді вони виявлені в дуже малих кількостях, у Бразилії та Південній Африці.

Якщо «звичайний» алмаз складається з одного кристала, то карбонадо - з величезної кількості вуглецю, між якими залишаються порожнечі. Встановлено, що ці алмази утворюються не за високих тисків, а за звичайних, і знаходять їх тільки на поверхні Землі. Поширена теорія, що карбонадо занесені на нашу планету астероїдом, що виник внаслідок вибуху наднової зірки.

Отже, карбонадо - значно твердіше «звичайного» алмазу, але це все ж таки алмаз. А є речовини, які зовсім не є алмазами, але твердішими за них, і навіть твердішими, ніж карбонадо. Ось вони:

• фулерит;
• лонсдейліт;
• вюртцидний нітрид бору

Це повністю штучний матеріал, що не зустрічається у природі. Його твердість оцінена у 310 ДПа. «Олівець» з цього матеріалу з легкістю подряпає алмазну пластинку. Фуллерити складаються з молекул фулерену, синтезованого у 1985 році. За це відкриття його автори здобули, між іншим, Нобелівську премію з хімії!

Цікаво, що довгий час фулерит був неймовірно дорогою та рідкісною речовиною, тому що для його синтезу потрібні жахливо високі тиски. Але кілька років тому російські фізики у співпраці з французькими зуміли оминути цю перешкоду. Наразі речовину вже можна створювати у відносно простих умовах.

Цю речовину називають «гексагональним алмазом», тому що вона складається з графіту, лише зміненого. У природі дуже рідко зустрічається в метеоритних кратерах, але його твердість навіть поступається твердості карбонадо. Вся справа в домішках, які обов'язково присутні у природних зразках лонсдейліту.

Щоб ця речовина позбавилася домішок, і одержала свою максимальну твердість, його, у присутності величезного тиску. Твердість «чистого» лонсдейліту оцінюють у 170 – 220 гПа.

Не всі вчені вважають, що він твердіший за алмаз. Іншими словами, його третє місце поки що оспорюється. Справа в тому, що в звичайному стані нітрид бору хоч і дуже твердий, але все ж таки відноситься не до ультра міцних, а до надтвердих речовин.

Все змінюється, коли на його структуру починають чинити тиск. Атомарні зв'язки цієї речовини влаштовані так, що при підвищенні тиску вони «виробляють перегрупування», і ось тоді нітрид бору стає твердішим за алмаз!

Таким чином, визначаючи саму тверду речовину у світі, ми познайомилися з цікавими речовинами, а заразом позбулися звичного міфу про «самий твердий алмаз».

Чи знаєте ви, який матеріал на нашій планеті вважається найміцнішим? Зі школи нам усім відомо, що алмаз - найміцніший мінерал, але він далеко не найміцніший. Твердість – не головна властивість, якою характеризується матерія. Одні властивості можуть заважати появі подряпин, інші – сприятиме еластичності. Бажаєте знати більше? Перед вами рейтинг матеріалів, які дуже важко зруйнувати.

Діамант у всій своїй красі

Класичний приклад міцності, що засів у підручниках та головах. Його твердість означає стійкість до подряпин. У шкалі Мооса (якісна шкала, яка вимірює опір різних мінералів) алмаз показує результат 10 (шкала йде від 1 до 10, де 10 - найтвердіша речовина). Діамант настільки твердий, що інші алмази повинні бути використані для його різання.

Павутина, здатна зупинити аеробус

Цей матеріал часто згадується як найскладніша біологічна речовина у світі (хоча це твердження зараз оскаржується винахідниками), мережа павука Дарвіна сильніша за сталь і має більший запас жорсткості, ніж кевлар. Її вага не менш чудова: нитка досить довга, щоб оточити Землю, важить всього 0,5 кг.

Аерографіт у звичайній посилці

Ця синтетична піна є одним із найлегших будівельних матеріалів у світі. Аерографіт приблизно в 75 разів легший за пінополістирол (але набагато сильніший!). Цей матеріал може бути спресований у 30 разів від початкового розміру без шкоди для його структури. Ще один цікавий момент: аерографіт може витримати масу в 40 000 разів більше за власну вагу.

Скло під час краш-тесту

Ця речовина розроблена вченими у Каліфорнії. Мікролеговане скло має майже досконале поєднання жорсткості та міцності. Причиною цього є те, що його хімічна структура знижує крихкість скла, але зберігає жорсткість паладію.

Вольфрамове свердло

Карбід вольфраму неймовірно твердий і має якісно високу жорсткість, але досить крихкий, його легко можна зігнути.

Карбід кремнію у вигляді кристалів

Цей матеріал використовується для створення броні для бойових танків. Фактично він використовується майже у всьому, що може захищати від куль. Вона має рейтинг твердості Мооса 9, а також має низький рівень теплового розширення.

Молекулярна структура нітриду бору

Приблизно такий же сильний, як алмаз, кубічний нітрид бору має одну важливу перевагу: він нерозчинний у нікелі та залозі за високих температур. З цієї причини його можна використовувати для обробки цих елементів (алмазні форми нітридів із залізом та нікелем при високих температурах).

Кабель із Dyneema

Вважається найсильнішим волокном у світі. Можливо, вас здивує факт: «дайніма» легша за воду, але вона може зупинити кулі!

Трубка металу

Титанові сплави надзвичайно гнучкі та мають дуже високу міцність на розтяг, але не мають такої жорсткості, як сталеві сплави.

Аморфні метали легко змінюють форму

Liquidmetal розроблений у компанії Caltech. Незважаючи на назву, цей метал не є рідким і при кімнатній температурі мають високий рівень міцності та зносостійкості. При нагріванні аморфні метали можуть змінювати форму.

Майбутній папір може бути твердішим за алмази

Це новий винахід створюється з деревної маси, при цьому володіючи більшим ступенем міцності, ніж сталь! І набагато дешевше. Багато вчених вважають наноцелюлозу дешевою альтернативою паладієвому склу та вуглецевому волокну.

Раковина блюдця

Раніше ми згадували, що павуки Дарвіна плетуть нитку одного із найміцніших органічних матеріалів на Землі. Проте зуби морського блюдечка виявилися ще сильнішими, ніж павутиння. Зуби лімпетів надзвичайно жорсткі. Причина цих дивовижних характеристик у призначенні: збирання водоростей з поверхні гірських порід та коралів. Вчені вважають, що в майбутньому ми могли б скопіювати волокнисту структуру зубів лімпету і використовувати її в автомобільній промисловості, кораблях і навіть в авіаційній індустрії.

Ступінь ракети, в якій багато вузлів містять мартенситностаріючі сталі

Ця речовина поєднує високий рівень міцності і жорсткості без втрати еластичності. Сталеві сплави цього типу знаходять застосування в аерокосмічних та промислово-виробничих технологіях.

Кристал осмію

Осмій надзвичайно щільний. Його використовують при виготовленні речей, що вимагають високого рівня міцності та твердості (електричні контакти, ручки для наконечників тощо).

Кевларова каска зупинила кулю

Кевлар, що використовується у всьому, від барабанів до куленепробивних жилетів, є синонімом твердості. Кевлар - це тип пластику, який має надзвичайно високу міцність на розтяг. Фактично вона приблизно в 8 разів більша, ніж у сталевого дроту! Він також може витримувати температуру близько 450 ℃.

Труби з матеріалу Spectra

Високоефективний поліетилен є справді міцним пластиком. Ця легка, міцна нитка може витримувати неймовірний натяг і в десять разів міцніша за сталь. Подібно до кевлару, Spectra також використовується для балістичних стійких жилетів, шоломів та бронетехніки.

Гнучкий екран із графену

Аркуш графену (аллотроп вуглецю) товщиною в один атом у 200 разів сильніший, ніж сталь. Хоча графен схожий на целофан, він справді вражає. Знадобиться шкільний автобус, що балансує на олівці, щоб проткнути стандартний аркуш А1 із цього матеріалу!

Нова технологія, здатна перевернути наше уявлення про міцність

Ця нанотехнологія виготовлена ​​з вуглецевих труб, які в 50 000 разів тонші за людське волосся. Це пояснює, чому він у 10 разів легший, ніж сталь, але у 500 разів сильніший.

у сателітах регулярно застосовуються сплави з мікрорешітки

Найлегший у світі метал, металева мікрорешітка також є одним із найлегших конструкційних матеріалів на Землі. Деякі вчені стверджують, що він у 100 разів легший за пінополістирол! Пористий, але надзвичайно сильний матеріал, він використовується у багатьох галузях техніки. Boeing згадав про використання його при виготовленні літаків, в основному в підлогах, сидіннях та стінах.

Модель нанотрубок

Вуглецеві нанотрубки (УНТ) можна описати як безшовні циліндричні порожнисті волокна, які складаються з одного скатаного молекулярного листа чистого графіту. В результаті виходить дуже легкий матеріал. У наномасштабі вуглецеві нанотрубки мають міцність у 200 разів більшу, ніж у сталі.

Фантастичний аерограф складно навіть описати!

Також відомий як графеновий аерогель. Уявіть собі міцність графену у поєднанні з неймовірною легкістю. Аерогель у 7 разів легший за повітря! Цей неймовірний матеріал може повністю відновитися після стиснення більш ніж 90% і може поглинати до 900 разів більше за власну вагу в маслі. Є надія, що цей матеріал можна використовувати для ліквідації розливів нафти.

Головний корпус політеху штату Массачусетс

На момент написання цієї статті вчені з Массачусетського технологічного інституту вважали, що вони виявили секрет максимізації 2-мірної міцності графену в 3-х вимірах. Їх поки що неназвана речовина може мати приблизно 5% густини сталі, але в 10 разів більше міцності.

Молекулярна структура карбину

Незважаючи на те, що він є єдиним ланцюжком атомів, карбін має подвоєну міцність на розтяг від графену і втричі більшу жорсткість, ніж алмаз.

місце народження нітриду бору

Ця природна речовина виробляється в жерлі діючих вулканів і на 18% міцніше, ніж алмаз. Це одне з двох речовин, які у природі, які, як було встановлено, нині перевершують алмази по твердості. Проблема в тому, що там не так багато цієї речовини, і зараз важко напевно сказати, чи є це твердження на 100% вірним.

Метеорити – головні джерела лонсдейліту

Також відомий як гексагональний алмаз, ця речовина складається з атомів вуглецю, але вони просто розташовані по-іншому. Поряд з вюрцитом нітридом бору це одна з двох природних речовин твердіша за алмаз. Насправді Лондсдейліт 58% твердіший! Однак, як і у випадку з попередньою речовиною, вона знаходиться у відносно малих обсягах. Іноді він виникає, коли графітові метеорити стикаються з планетою Землею.

Майбутнє не за горами, тому до кінця XXI століття очікується поява надміцних і надлегких матеріалів, які прийдуть на зміну кевлару та алмазам. А поки що залишається тільки дивуватися розвитку сучасних технологій.