Har forskere virkelig fundet noget hårdere end diamant?

spørg de fleste mennesker, hvad det hårdeste materiale på jorden er, og de vil sandsynligvis svare “diamant”. Dens navn kommer fra det græske ord ad ad… ((admasmas) betyder “ubrydelig” eller “uovervindelig” og er fra hvor vi får ordet “adamant”. Diamonds hårdhed giver det utrolige skæreevner – der-sammen med dens skønhed – har holdt det i høj efterspørgsel i tusinder af år.,

Moderne forskere har brugt årtier på udkig efter billigere, hårdere og mere praktiske alternativer, og hvert par år, nyheder varsler skabelsen af en ny “verdens hårdeste materiale”. Men er nogen af disse udfordrere virkelig op til bunden?

På trods af sin unikke lokkemåde er diamant simpelthen en speciel form eller “allotrope” af kulstof. Der er flere allotroper i carbon familien, herunder carbon nanorør, amorft carbon, diamant og grafit., Alle består af carbonatomer, men typerne af atombindinger mellem dem er forskellige, hvilket giver anledning til forskellige materialestrukturer og egenskaber.

den yderste skal af hvert carbonatom har fire elektroner. I diamant deles disse elektroner med fire andre carbonatomer for at danne meget stærke kemiske bindinger, hvilket resulterer i en ekstremt stiv tetrahedral krystal. Det er dette enkle, tætbundne arrangement, der gør diamant til et af de hårdeste stoffer på jorden.

hvor hårdt?

Vickers test ambolt., R Tanaka

Hårdhed er en vigtig egenskab for materialer og ofte bestemmer hvad de kan bruges til, men det er også ret svært at definere. For mineraler er ridsehårdhed et mål for, hvor modstandsdygtig det er at blive ridset af et andet mineral.

Der er flere måder at måle hårdhed på, men typisk bruges et instrument til at lave en bukke i materialets overflade. Forholdet mellem overfladearealet af indrykket og den kraft, der bruges til at gøre det, frembringer en hårdhedsværdi. Jo sværere materialet er, desto større er værdien., Vickers hårdhedstest bruger en firkantet pyramidediamantspids til at gøre indrykket.

mildt stål har en Vickers hårdhedsværdi på omkring 9 GPa, mens diamant har en Vickers hårdhedsværdi på omkring 70 – 100 GPA. Diamantens modstandsdygtighed mod slid er legendarisk, og i dag findes 70% af verdens naturlige diamanter i slidbestandige belægninger til værktøjer, der bruges til skæring, boring og slibning eller som tilsætningsstoffer til slibemidler.

problemet med diamond er, at selvom det kan være meget svært, er det også overraskende ustabilt., Når diamant opvarmes over 800℃ i luft ændres dets kemiske egenskaber, hvilket påvirker dets styrke og gør det muligt at reagere med jern, hvilket gør det uegnet til bearbejdning af stål.

disse begrænsninger for dets anvendelse har ført til et voksende fokus på at udvikle nye, kemisk stabile, superhard materialer som erstatning. Bedre slidbestandige belægninger gør det muligt for industrielle værktøjer at vare længere mellem udskiftning af slidte dele og reducere behovet for potentielt miljøfarlige kølevæsker. Forskere har hidtil formået at komme med flere potentielle rivaler til diamond.,

bornitrid

mikroskopisk BN krystal. NIMSoffice/Wikimedia Commons

Det syntetiske materiale bornitrid, først produceret i 1957, svarer til kulstof i, at det har flere allotropes. I sin kubiske form (c-BN) deler den samme krystallinske struktur som diamant, men i stedet for carbonatomer består af skiftevis bundne atomer af bor og nitrogen. c-BN er kemisk og termisk stabil, og er almindeligt anvendt i dag som en superhard værktøjsmaskiner belægning i bilindustrien og rumfartsindustrien.,

men kubisk bornitrid er stadig i bedste fald bare verdens næsthårdeste materiale med en Vickers hårdhed på omkring 50 GPA. Dens sekskantede form (BN-BN) blev oprindeligt rapporteret at være endnu sværere, men disse resultater var baseret på teoretiske simuleringer, der forudsagde en indrykningsstyrke 18% højere end diamant. Desværre er BN-BN ekstremt sjælden og vanskelig at producere i tilstrækkelige mængder til korrekt at teste denne påstand ved forsøg.

Syntetisk diamant

Syntetisk diamant closeup., Instytut Fizyki Uniwersytet Kazimierza Wielkiego

Syntetisk diamant har også været kendt siden 1950’erne, og er ofte rapporteret at være sværere end naturlige diamant på grund af dens forskellige krystal struktur. Det kan fremstilles ved at anvende højt tryk og temperatur på grafit for at tvinge sin struktur til at omarrangere i den tetrahedrale diamant, men det er langsomt og dyrt. En anden metode er at effektivt opbygge den med carbonatomer taget fra opvarmede carbonhydridgasser, men de typer substratmateriale, du kan bruge, er begrænsede.,

fremstilling af diamanter skaber syntetisk sten, der er polykrystallinske og består af aggregater af meget mindre krystallitter eller “korn”, der spænder fra et par mikron ned til flere nanometer i størrelse. Dette står i kontrast til de store monokrystaller af de fleste naturlige diamanter, der anvendes til smykker. Jo mindre kornstørrelse, jo flere korngrænser og jo sværere materialet. Nylig forskning på nogle syntetiske diamant har vist, at det har en Vickers hårdhed på op til 200 GPA.

Q-carbon

Q-Carbon closeup., North Carolina State University

Mere for nylig, forskere ved North Carolina State University skabt, hvad de beskrev som en ny form for kulstof, der er forskellige fra andre allotropes, og rapporteret til at være hårdere end diamant. Denne nye form blev lavet ved at opvarme ikke-krystallinsk kulstof med en højdrevet hurtig laserpuls til 3,700.C og derefter hurtigt afkøle eller “slukke” den-deraf navnet “carbon – carbon”-for at danne mikron – store diamanter.,

forskerne fandt, at carbon-carbon var 60% hårdere end diamantlignende carbon (en type amorft carbon med lignende egenskaber som diamant). Dette har fået dem til at forvente, at carbon-carbon er sværere end diamond selv, selvom dette stadig skal bevises eksperimentelt. Carbon-carbon har også de usædvanlige egenskaber ved at være magnetisk og glødende, når de udsættes for lys. Men indtil videre har dets vigtigste anvendelse været som et mellemliggende trin i produktionen af små syntetiske diamantpartikler ved stuetemperatur og tryk., Disse nanodiamanter er for små til smykker, men ideelle som et billigt belægningsmateriale til skæring og polering af værktøjer.

Leave a Comment