zapytaj większość ludzi, jaki jest najtwardszy materiał na ziemi, a prawdopodobnie odpowiedzą „diament”. Jego nazwa pochodzi od greckiego słowa ἀδάμας (adámas) oznaczającego „niezniszczalny” lub ” niezwyciężony „i pochodzi od słowa”nieugięty”. Twardość diamentu daje niesamowite możliwości cięcia, które – wraz z jego pięknem-utrzymywały go w wysokim popycie przez tysiące lat.,
współcześni naukowcy przez dziesięciolecia szukali tańszych, trudniejszych i bardziej praktycznych alternatyw.co kilka lat wiadomości zwiastują powstanie nowego „najtrudniejszego materiału świata”. Ale czy któryś z tych pretendentów jest naprawdę gotowy?
pomimo swojego niepowtarzalnego uroku, diament jest po prostu specjalną formą, lub „alotropem”, węgla. Istnieje kilka alotropów w rodzinie węgla, w tym nanorurki węglowe, amorficzny węgiel, diament i grafit., Wszystkie składają się z atomów węgla, ale typy wiązań atomowych między nimi różnią się, co powoduje różne struktury i właściwości materiału.
Zewnętrzna powłoka każdego atomu węgla ma cztery elektrony. W Diamencie elektrony te są dzielone z czterema innymi atomami węgla, tworząc bardzo silne wiązania chemiczne, w wyniku czego powstaje niezwykle sztywny czworościenny kryształ. To właśnie ten prosty, ściśle związany układ sprawia, że diament jest jedną z najtwardszych substancji na Ziemi.
jak ciężko?
twardość jest ważną właściwością materiałów i często określa, do czego mogą być użyte, ale jest również dość trudna do zdefiniowania. W przypadku minerałów twardość zarysowania jest miarą odporności na porysowanie przez inny minerał.
istnieje kilka sposobów pomiaru twardości, ale zazwyczaj przyrząd służy do wgniecenia powierzchni materiału. Stosunek powierzchni wcięcia do siły użytej do jego wytworzenia daje wartość twardości. Im twardszy materiał, tym większa wartość., Test twardości Vickersa wykorzystuje diamentową końcówkę piramidy kwadratowej do wykonania wcięć.
stal miękka ma wartość twardości Vickersa około 9 GPa, podczas gdy diament ma wartość twardości Vickersa około 70-100 GPa. Odporność diamentu na zużycie jest legendarna, a obecnie 70% naturalnych diamentów na świecie znajduje się w odpornych na zużycie powłokach narzędzi używanych do cięcia, wiercenia i szlifowania lub jako dodatki do materiałów ściernych.
problem z diamentem polega na tym, że choć może być bardzo trudny, jest również zaskakująco niestabilny., Gdy diament jest ogrzewany powyżej 800℃ w powietrzu, jego właściwości chemiczne zmieniają się, wpływając na jego wytrzymałość i umożliwiając reakcję z żelazem, co sprawia, że nie nadaje się do obróbki stali.
te ograniczenia stosowania doprowadziły do coraz większego skupienia się na opracowywaniu nowych, stabilnych chemicznie, supertwardych materiałów jako zamienników. Lepsze powłoki odporne na zużycie pozwalają narzędziom przemysłowym na dłuższą żywotność między wymianą zużytych części i zmniejszają zapotrzebowanie na potencjalnie niebezpieczne dla środowiska chłodziwa. Naukowcy do tej pory udało się wymyślić kilka potencjalnych rywali diamond.,
azotek boru
materiał syntetyczny azotek boru, po raz pierwszy wyprodukowany w 1957 roku, jest podobny do węgla, ponieważ ma kilka alotropów. W formie sześciennej (c-BN) ma tę samą strukturę krystaliczną co diament, ale zamiast atomów węgla składa się z naprzemiennie połączonych atomów boru i azotu. c-BN jest chemicznie i termicznie stabilny i jest powszechnie stosowany dziś jako supertwarde powlekanie obrabiarek w przemyśle motoryzacyjnym i lotniczym.,
ale sześcienny azotek boru jest nadal, w najlepszym razie, drugim najtwardszym materiałem na świecie o twardości Vickersa około 50 GPa. Jego sześciokątna forma (w-BN) początkowo była jeszcze twardsza, ale wyniki te zostały oparte na symulacjach teoretycznych, które przewidywały siłę wcięcia o 18% wyższą niż diament. Niestety w-BN jest niezwykle rzadki w przyrodzie i trudny do wyprodukowania w ilościach wystarczających do prawidłowego przetestowania tego twierdzenia eksperymentem.
Syntetyczny diament
Syntetyczny diament istnieje również od lat 50.XX wieku i jest często określany jako twardszy niż naturalny diament ze względu na swoją różną strukturę krystaliczną. Może być wytwarzany przez zastosowanie wysokiego ciśnienia i temperatury do grafitu, aby wymusić jego strukturę do przestawiania w czworościenny diament, ale jest to powolne i kosztowne. Inną metodą jest skuteczne zbudowanie go z atomów węgla pobranych z podgrzanych gazów węglowodorowych, ale rodzaje materiału podłoża, którego można użyć, są ograniczone.,
wytwarzając diamenty syntetycznie tworzy się kamienie, które są polikrystaliczne i składają się z agregatów znacznie mniejszych krystalitów lub „ziaren” o wielkości od kilku mikronów do kilku nanometrów. Kontrastuje to z dużymi monokryształami większości naturalnych diamentów używanych do biżuterii. Im mniejszy rozmiar ziarna, tym więcej granic ziarna i twardszy materiał. Ostatnie badania nad syntetycznym diamentem wykazały, że ma twardość Vickersa do 200 GPa.
Q-carbon
niedawno naukowcy z North Carolina State University stworzyli coś, co opisali jako nową formę węgla, różniącą się od innych alotropów, i zgłaszane jako twardsze niż diament. Ta nowa forma została wytworzona przez podgrzanie niekrystalicznego węgla z szybkim impulsem Laserowym o dużej mocy do 3700 °C, a następnie szybkie chłodzenie lub” hartowanie „go – stąd nazwa” Q-carbon ” – w celu utworzenia diamentów wielkości mikronów.,
naukowcy odkryli, że Q-carbon jest o 60% twardszy niż węgiel diamentopodobny (rodzaj amorficznego węgla o właściwościach podobnych do diamentu). To doprowadziło ich do oczekiwania, że Q-carbon będzie twardszy niż sam diament, chociaż nadal pozostaje to udowodnione eksperymentalnie. Q-carbon ma również niezwykłe właściwości magnetyczne i świecące pod wpływem światła. Ale do tej pory jego główne zastosowanie było pośrednim krokiem w produkcji drobnych syntetycznych cząstek diamentu w temperaturze pokojowej i ciśnieniu., Te nanodiamenty są zbyt małe dla biżuterii, ale idealne jako tani materiał powlekający do cięcia i polerowania narzędzi.