Spør folk flest hva de hardeste materialet som på Jorden er, og de vil sannsynligvis svare «diamond». Navnet kommer fra det greske ordet ἀδάμας (adámas) betyr «uknuselige» eller «usynlig» og er fra der vi får ordet «steinhard». Diamond ‘ s hardhet gir det utrolig kutte evner som – sammen med sin skjønnhet – har holdt det i høy etterspørsel i tusenvis av år.,
Moderne forskere har brukt tiår på jakt etter billigere, hardere og mer praktiske alternativer og alle årene nyheter varsler etableringen av en ny «verdens hardeste materialet». Men er noen av disse utfordrerne virkelig opp til scratch?
til Tross for sin unike sjarm, diamond er rett og slett en spesiell form, eller «allotrope», av karbon. Det er flere allotropes i carbon familien inkludert carbon nanotubes, amorfe kull, diamant og grafitt., Alle er laget av karbon-atomer, men de typer av atomic båndene mellom dem forskjellige som gir opphav til ulike materielle strukturer og egenskaper.
Det ytterste skallet av hvert karbonatom har fire elektroner. I diamant, disse elektronene er delt med fire andre karbonatomer å danne svært sterke kjemiske forbindelser som resulterer i en svært stiv tetrahedral krystall. Det er dette enkle, tett bundet ordning som gjør diamond en av de hardeste stoffene på Jorden.
Hvor hardt?
Hardhet er en viktig egenskap av materialer og ofte bestemmer hva de kan brukes til, men det er også ganske vanskelig å definere. For mineraler, scratch hardhet er et mål på hvor motstandsdyktig det er å være oppskrapet av et annet mineral.
Det er flere måter å måle hardheten, men vanligvis er et instrument som brukes til å lage en bulk i materialets overflate. Forholdet mellom arealet av innrykk og kraft som brukes til å gjøre det produserer en hardhet verdi. Jo hardere materiale, jo større verdi., Den Vickers hardhet testen bruker en firkant-basert pyramiden diamond tips for å lage innrykk.
Lakkert stål har en Vickers hardhet verdi på rundt 9 GPa mens diamond har en Vickers hardhet verdi av rundt 70 – 100 GPa. Diamond ‘ s motstand mot slitasje er legendariske, og i dag er 70% av verdens naturlige diamanter finnes i slitesterkt belegg for verktøy som brukes i skjæring, boring og sliping, eller som tilsetning til slipemidler.
problemet med diamond er at, selv om det kan være veldig vanskelig, det er også overraskende ustabil., Når diamond er oppvarmet over 800 ° c i luften sine kjemiske egenskaper endres, påvirker dens styrke og aktivere den til å reagere med jern, som gjør det uegnet for fremstilling av stål.
Disse begrensningene på bruken har ført til et økende fokus på å utvikle nye, kjemisk stabile, superhard materialer som en erstatning. Bedre slitesterkt belegg tillate industrielle verktøy for å vare lengre tid mellom skifte ut slitte deler, og redusere behovet for potensielt miljøfarlige kjølevæske. Forskere har så langt klart å komme opp med flere potensielle rivaler til diamant.,
Boron nitride
syntetisk materiale boron nitride, som først ble produsert i 1957, er lik karbon ved at den har flere allotropes. I sin kubisk form (c-BN) den deler de samme krystallinsk struktur som diamant, men i stedet for karbon atomer består av vekselvis-atomer bundet av boron og nitrogen. c-BN er kjemisk og termisk stabilt, og er ofte brukt i dag som en superhard machine tool belegg i bil-og flyindustrien.,
Men kubikk boron nitride er fortsatt, i beste fall, bare verdens nest hardeste materialet med Vickers hardhet på rundt 50 GPa. Dens sekskantet form (w-BN) ble første gang rapportert til å være enda vanskeligere, men disse resultatene var basert på teoretiske simuleringer som spådde en innrykk styrke 18% høyere enn diamant. Dessverre w-BN er ekstremt sjeldne i naturen, og det er vanskelig å produsere i tilstrekkelige mengder til riktig teste denne påstanden ved å eksperimentere.
Syntetiske diamond
Syntetiske diamond har også eksistert siden 1950-tallet, og er ofte rapportert å være vanskeligere enn naturlig diamant på grunn av sine forskjellige krystallstruktur. Det kan bli produsert ved bruk av høyt trykk og høy temperatur for å grafitt til å tvinge sin struktur for å omorganisere i tetrahedral diamant, men dette er en langsom og kostbar. En annen metode er å effektivt bygge det opp med karbon-atomer tatt fra oppvarmet hydrokarbon gasser, men de typer underlag du kan bruke er begrenset.,
å Produsere diamanter syntetisk skaper steiner som er polykrystallinsk og består av aggregater av mye mindre crystallites eller «korn» som strekker seg fra et par mikrometer ned til flere nanometer i størrelse. Dette står i kontrast med den store monocrystals i de fleste naturlige diamanter brukt til smykker. Jo mindre kornstørrelse, jo mer korn grenser og jo hardere materiale. Nyere forskning på noen syntetiske diamond har vist at det å ha en Vickers hardhet opp til 200 GPa.
Q-karbon
Mer nylig, har forskere ved North Carolina State University skapt det de beskrev som en ny form for karbon som er forskjellig fra andre allotropes, og er rapportert å være hardere enn diamant. Denne nye formen ble gjort ved oppvarming ikke-krystallinske karbon med en high-powered rask laser puls til 3,700 °C så raskt kjøling eller «slukke» det – derav navnet «Q-carbon» – for å danne mikron størrelse diamanter.,
forskere har funnet Q-karbon til å være 60% hardere enn diamant-som karbon (en type amorfe karbon med lignende egenskaper til å diamond). Dette har ført dem til å forvente Q-karbon til å være hardere enn diamant i seg selv, selv om det fortsatt gjenstår å bli påvist eksperimentelt. Q-carbon har også uvanlige egenskaper av å være magnetisk og glødende når de utsettes for lys. Men så langt den viktigste bruken har vært som et steg på veien i å produsere små syntetiske diamond partikler ved rom temperatur og trykk., Disse nanodiamonds er for små til smykker, men ideelt som en billig belegg materiale for kapping og polering verktøy.