Chiedi alla maggior parte delle persone quale sia il materiale più duro sulla Terra e probabilmente risponderanno “diamante”. Il suo nome deriva dalla parola greca ἀδάμας (adámas) che significa “infrangibile” o “invincibile” ed è da dove otteniamo la parola “irremovibile”. La durezza del diamante gli conferisce incredibili capacità di taglio che – insieme alla sua bellezza-lo hanno mantenuto in forte domanda per migliaia di anni.,
Gli scienziati moderni hanno trascorso decenni alla ricerca di alternative più economiche, più difficili e più pratiche e ogni pochi anni la notizia annuncia la creazione di un nuovo “materiale più duro del mondo”. Ma qualcuno di questi sfidanti è davvero all’altezza?
Nonostante il suo fascino unico, il diamante è semplicemente una forma speciale, o “allotropo”, di carbonio. Ci sono diversi allotropi nella famiglia del carbonio tra cui nanotubi di carbonio, carbonio amorfo, diamante e grafite., Tutti sono costituiti da atomi di carbonio, ma i tipi di legami atomici tra di loro differiscono che dà origine a diverse strutture e proprietà materiali.
Il guscio più esterno di ogni atomo di carbonio ha quattro elettroni. Nel diamante, questi elettroni sono condivisi con altri quattro atomi di carbonio per formare legami chimici molto forti con conseguente cristallo tetraedrico estremamente rigido. È questa disposizione semplice e strettamente legata che rende il diamante una delle sostanze più dure sulla Terra.
Quanto è difficile?
La durezza è una proprietà importante dei materiali e spesso determina per cosa possono essere utilizzati, ma è anche abbastanza difficile da definire. Per i minerali, la durezza del graffio è una misura di quanto sia resistente a essere graffiato da un altro minerale.
Esistono diversi modi per misurare la durezza, ma in genere uno strumento viene utilizzato per fare un’ammaccatura nella superficie del materiale. Il rapporto tra la superficie della rientranza e la forza utilizzata per realizzarla produce un valore di durezza. Più duro è il materiale, maggiore è il valore., Il test di durezza Vickers utilizza una punta di diamante piramidale a base quadrata per rendere il rientro.
L’acciaio dolce ha un valore di durezza Vickers di circa 9 GPa mentre il diamante ha un valore di durezza Vickers di circa 70-100 GPa. La resistenza all’usura del diamante è leggendaria e oggi il 70% dei diamanti naturali del mondo si trova in rivestimenti resistenti all’usura per utensili utilizzati nel taglio, nella perforazione e nella rettifica o come additivi agli abrasivi.
Il problema con diamond è che, mentre può essere molto difficile, è anche sorprendentemente instabile., Quando il diamante è riscaldato sopra 800℃ in aria le sue proprietà chimiche cambiano, influenzando la sua forza e permettendogli di reagire con il ferro, che lo rende inadatto per la lavorazione dell’acciaio.
Questi limiti al suo utilizzo hanno portato a una crescente attenzione sullo sviluppo di nuovi materiali superduri chimicamente stabili come sostituzione. I migliori rivestimenti resistenti all’usura consentono agli utensili industriali di durare più a lungo tra la sostituzione delle parti usurate e riducono la necessità di refrigeranti potenzialmente pericolosi per l’ambiente. Gli scienziati sono finora riusciti a venire con diversi potenziali rivali a diamante.,
Nitruro di boro
Il materiale sintetico nitruro di boro, prodotto per la prima volta nel 1957, è simile al carbonio in quanto ha diversi allotropi. Nella sua forma cubica (c-BN) condivide la stessa struttura cristallina del diamante, ma invece di atomi di carbonio è costituito da atomi alternativamente legati di boro e azoto. c-BN è chimicamente e termicamente stabile, ed è comunemente usato oggi come rivestimento di macchine utensili superhard nelle industrie automobilistiche e aerospaziali.,
Ma il nitruro di boro cubico è ancora, nella migliore delle ipotesi, solo il secondo materiale più duro al mondo con una durezza Vickers di circa 50 GPa. La sua forma esagonale (w-BN) è stato inizialmente segnalato per essere ancora più difficile, ma questi risultati sono stati basati su simulazioni teoriche che prevedevano una forza di rientro 18% superiore a diamante. Sfortunatamente w-BN è estremamente raro in natura e difficile da produrre in quantità sufficienti per testare correttamente questa affermazione per esperimento.
Diamante sintetico
Diamante sintetico è stato anche intorno dal 1950 ed è spesso segnalato per essere più duro di diamante naturale a causa della sua diversa struttura cristallina. Può essere prodotto applicando alta pressione e temperatura alla grafite per forzare la sua struttura a riorganizzarsi nel diamante tetraedrico, ma questo è lento e costoso. Un altro metodo è quello di costruire efficacemente con atomi di carbonio prelevati da gas idrocarburici riscaldati, ma i tipi di materiale di substrato che è possibile utilizzare sono limitati.,
La produzione di diamanti crea sinteticamente pietre policristalline e costituite da aggregati di cristalliti o “grani” molto più piccoli che vanno da pochi micron fino a diversi nanometri. Questo contrasta con i grandi monocristalli della maggior parte dei diamanti naturali utilizzati per i gioielli. Più piccola è la dimensione del grano, più confini di grano e più duro è il materiale. Recenti ricerche su alcuni diamanti sintetici hanno dimostrato di avere una durezza Vickers fino a 200 GPa.
Q-carbon
Più recentemente, i ricercatori della North Carolina State University hanno creato quello che hanno descritto come una nuova forma di carbonio, distinta da altri allotropi, e segnalato per essere più duro del diamante. Questa nuova forma è stata realizzata riscaldando il carbonio non cristallino con un impulso laser veloce ad alta potenza a 3.700 °C, quindi raffreddandolo rapidamente o” spegnendolo “– da qui il nome” Q-carbon ” – per formare diamanti di dimensioni micron.,
Gli scienziati hanno scoperto che il Q-carbon è del 60% più duro del carbonio simile al diamante (un tipo di carbonio amorfo con proprietà simili al diamante). Ciò li ha portati ad aspettarsi che Q-carbon sia più duro del diamante stesso, anche se questo deve ancora essere dimostrato sperimentalmente. Q-carbon ha anche le proprietà insolite di essere magnetico e incandescente quando esposto alla luce. Ma finora il suo uso principale è stato come un passo intermedio nella produzione di minuscole particelle di diamante sintetico a temperatura ambiente e pressione., Questi nanodiamanti sono troppo piccoli per i gioielli, ma ideali come materiale di rivestimento economico per strumenti di taglio e lucidatura.