zeptejte se většiny lidí, jaký je nejtěžší materiál na Zemi, a pravděpodobně odpoví na „diamant“. Jeho jméno pochází z řeckého slova ἀδάμας (adámas), což znamená „nerozbitný“ nebo „neporazitelný“ a je odkud dostaneme slovo „neústupný“. Tvrdost diamantu mu dává neuvěřitelné řezné schopnosti, které – spolu s jeho krásou-ji udržují ve vysoké poptávce po tisíce let.,
Moderní vědci strávili desetiletí hledat levnější, těžší a více praktické alternativy a jednou za několik let novinky ohlašuje vytvoření nového „světa je nejtvrdší materiál“. Ale jsou někteří z těchto Vyzyvatelů opravdu na scratch?
navzdory své jedinečné přitažlivosti je diamant jednoduše speciální formou nebo „alotropem“ uhlíku. V uhlíkové rodině je několik alotropů, včetně uhlíkových nanotrubic, amorfního uhlíku, diamantu a grafitu., Všechny jsou tvořeny atomy uhlíku, ale typy atomových vazeb mezi nimi se liší, což vede k různým materiálovým strukturám a vlastnostem.
nejvzdálenější plášť každého atomu uhlíku má čtyři elektrony. V diamond, tyto elektrony jsou sdíleny s dalšími čtyřmi atomy uhlíku tvořit velmi silné chemické vazby, což v extrémně tuhé čtyřboká crystal. Právě toto jednoduché, pevně vázané uspořádání činí z diamantu jednu z nejtěžších látek na Zemi.
jak těžké?
tvrdost je důležitou vlastností materiálů a často určuje, na co mohou být použity, ale je také velmi obtížné definovat. U minerálů je tvrdost poškrábání měřítkem toho, jak je odolná vůči poškrábání jiným minerálem.
existuje několik způsobů měření tvrdosti, ale obvykle se nástroj používá k vytvoření důlku v povrchu materiálu. Poměr mezi povrchovou plochou odsazení a silou použitou k jeho výrobě vytváří hodnotu tvrdosti. Čím tvrdší je materiál, tím větší je hodnota., Zkouška tvrdosti Vickers používá čtvercový pyramidový diamantový hrot, aby se odrážka.
měkká ocel má hodnotu tvrdosti Vickers kolem 9 GPa, zatímco diamant má hodnotu tvrdosti Vickers kolem 70 – 100 GPa. Diamond odolnost proti opotřebení je legendární a dnes 70% světové přírodní diamanty se nacházejí v opotřebení-odolné povlaky pro nástroje používané v řezání, vrtání a broušení, nebo jako přísady do brusiva.
problém s diamantem spočívá v tom, že i když to může být velmi těžké, je také překvapivě nestabilní., Když se diamant zahřívá nad 800℃ ve vzduchu, jeho chemické vlastnosti se mění, ovlivňují jeho pevnost a umožňují mu reagovat se železem, což je nevhodné pro obrábění oceli.
tyto limity pro jeho použití vedly k rostoucímu zaměření na vývoj nových, chemicky stabilních, superhard materiálů jako náhrady. Lepší povlaky odolné proti opotřebení umožňují průmyslovým nástrojům trvat déle mezi výměnou opotřebovaných dílů a snížením potřeby chladicích kapalin potenciálně nebezpečných pro životní prostředí. Vědcům se zatím podařilo přijít s několika potenciálními soupeři na diamant.,
nitrid boru
syntetického materiálu nitridu boru, nejprve produkoval v roce 1957, je podobný uhlíku v tom, že má několik nanostruktur. Ve své kubické formě (c-BN) sdílí stejnou krystalickou strukturu jako diamant, ale místo atomů uhlíku se skládá ze střídavě vázaných atomů boru a dusíku. c-BN je chemicky a tepelně stabilní a dnes se běžně používá jako povrchová úprava obráběcích strojů v automobilovém a leteckém průmyslu.,
ale kubický nitrid boru je v nejlepším případě jen druhým nejtvrdším materiálem na světě s tvrdostí Vickers kolem 50 GPa. Jeho šestiúhelníková forma (w-BN) byla zpočátku uváděna jako ještě těžší, ale tyto výsledky byly založeny na teoretických simulacích, které předpovídaly sílu odsazení o 18% vyšší než diamant. Bohužel w-BN je extrémně vzácné v přírodě, a je obtížné je produkovat v dostatečném množství, aby řádně otestovat toto tvrzení tím, že experimentovat.
syntetický diamant
syntetický diamant byl také kolem od roku 1950 a je často uváděn jako tvrdší než přírodní diamant kvůli své odlišné krystalové struktuře. Může být vyroben použitím vysokého tlaku a teploty na grafit, aby se jeho struktura přeskupila do čtyřstěnného diamantu, ale to je pomalé a drahé. Další metodou je efektivní sestavení atomů uhlíku odebraných z vyhřívaných uhlovodíkových plynů, ale typy substrátového materiálu, který můžete použít, jsou omezené.,
výroba diamantů synteticky vytváří kameny, které jsou polykrystalické a skládají se z agregátů mnohem menších krystalitů nebo“ zrn “ v rozmezí od několika mikronů až po několik nanometrů. To kontrastuje s velkými monokrystaly většiny přírodních diamantů používaných pro šperky. Čím menší je velikost zrna, tím více hranic zrna a tím tvrdší je materiál. Nedávný výzkum některých syntetických diamantů ukázal, že má tvrdost Vickers až 200 GPa.
Q-carbon
v poslední době, vědci z North Carolina State University vytvořili něco, co popsali jako nová forma uhlíku, odlišné od jiných nanostruktur, a hlášeny být tvrdší než diamant. Tato nová forma byla vyrobena zahříváním nekrystalického uhlíku s vysokým výkonem rychlého laserového pulsu na 3,700 °C, poté rychle ochlazením nebo „kalením“ – odtud název“ Q-carbon “ – za vzniku diamantů velikosti mikronů.,
vědci zjistili, že q-uhlík je o 60% těžší než diamantový uhlík (Typ amorfního uhlíku s podobnými vlastnostmi jako diamant). To je vedlo k očekávání, že q-carbon bude těžší než samotný diamant, i když to stále musí být experimentálně prokázáno. Q-carbon má také neobvyklé vlastnosti, že je magnetický a zářící, když je vystaven světlu. Ale zatím jeho hlavní použití bylo jako mezistupeň při výrobě malých syntetických diamantových částic při pokojové teplotě a tlaku., Tyto nanodiamanty jsou příliš malé na šperky, ale ideální jako levný potahový materiál pro řezné a lešticí nástroje.