fråga de flesta vad det svåraste materialet på jorden är och de kommer förmodligen att svara ”diamond”. Namnet kommer från det grekiska ordet ”Adámas” som betyder ”okrossbar” eller ”oövervinnlig”och är varifrån vi får ordet ”adamant”. Diamantens hårdhet ger den otroliga skärförmåga som – tillsammans med sin skönhet-har hållit den i hög efterfrågan i tusentals år.,
moderna forskare har spenderat årtionden på att leta efter billigare, hårdare och mer praktiska alternativ och med några års mellanrum ger nyheterna skapandet av ett nytt ”världens svåraste material”. Men är någon av dessa utmanare verkligen måttet?
trots sin unika lockelse, diamond är helt enkelt en speciell form, eller ”allotrope”, av kol. Det finns flera allotroper i kolfamiljen inklusive kolnanotuber, amorft kol, diamant och grafit., Alla består av kolatomer, men typerna av atombindningar mellan dem skiljer sig åt vilket ger upphov till olika materialstrukturer och egenskaper.
det yttersta skalet av varje kolatom har fyra elektroner. I diamant delas dessa elektroner med fyra andra kolatomer för att bilda mycket starka kemiska bindningar vilket resulterar i en extremt styv tetraedrisk kristall. Det är detta enkla, tätt bundna arrangemang som gör diamond till ett av de svåraste ämnena på jorden.
hur svårt?
hårdhet är en viktig egenskap hos material och bestämmer ofta vad de kan användas för, men det är också ganska svårt att definiera. För mineraler är skraphårdhet ett mått på hur resistent det är att repas av ett annat mineral.
det finns flera sätt att mäta hårdhet men vanligtvis används ett instrument för att göra en buckla i materialets yta. Förhållandet mellan indragets yta och den kraft som används för att göra det ger ett hårdhetsvärde. Ju hårdare materialet desto större är värdet., Vickers hårdhetstest använder en fyrkantig pyramid diamant spets för att göra strecksatsen.
mjukt stål har ett Vickers hårdhetsvärde på cirka 9 GPa medan diamond har ett Vickers hårdhetsvärde på cirka 70-100 GPA. Diamantens slitstyrka är legendarisk och idag finns 70% av världens naturliga diamanter i slitstarka beläggningar för verktyg som används vid skärning, borrning och slipning eller som tillsatser till slipmedel.
problemet med diamond är att även om det kan vara mycket svårt, är det också förvånansvärt instabilt., När diamant upphettas över 800℃ i luft dess kemiska egenskaper förändras, påverkar dess styrka och gör det möjligt att reagera med järn, vilket gör det olämpligt för bearbetning stål.
dessa gränser för dess användning har lett till ett växande fokus på att utveckla nya, kemiskt stabila, superhårda material som ersättning. Bättre slitstarka beläggningar gör det möjligt för industriverktyg att hålla längre mellan att byta ut slitna delar och minska behovet av potentiellt miljöfarliga kylmedel. Forskare har hittills lyckats komma med flera potentiella rivaler till diamant.,
bornitrid
det syntetiska materialet bornitrid, som först producerades 1957, liknar kol eftersom det har flera allotroper. I sin kubiska form (C-BN) delar den samma kristallina struktur som diamant, men i stället för kolatomer består av växelvis bundna atomer av bor och kväve. c-BN är kemiskt och termiskt stabil, och används ofta idag som en superhard maskin verktygsbeläggning inom fordons-och flygindustrin.,
men kubisk bornitrid är fortfarande i bästa fall bara världens näst svåraste material med en Vickers hårdhet på cirka 50 GPa. Dess hexagonala form (w-BN) rapporterades ursprungligen vara ännu hårdare men dessa resultat baserades på teoretiska simuleringar som förutspådde en indragstyrka 18% högre än diamant. Tyvärr är w-BN extremt sällsynt och svår att producera i tillräckliga mängder för att korrekt testa detta påstående genom experiment.
syntetisk diamant
Syntetisk diamant har också funnits sedan 1950-talet och rapporteras ofta vara svårare än naturlig diamant på grund av dess olika kristallstruktur. Det kan produceras genom att applicera högt tryck och temperatur till grafit för att tvinga sin struktur att omorganisera in i tetrahedral diamanten, men det är långsamt och dyrt. En annan metod är att effektivt bygga upp det med kolatomer tagna från uppvärmda kolvätegaser men de typer av substratmaterial som du kan använda är begränsade.,
att producera diamanter syntetiskt skapar stenar som är polykristallina och består av aggregat av mycket mindre kristalliter eller ”korn” som sträcker sig från några mikron ner till flera nanometer i storlek. Detta kontrasterar med de stora monokristaller av de flesta naturliga diamanter som används för smycken. Ju mindre kornstorlek, desto mer korngränser och desto svårare är materialet. Ny forskning om någon syntetisk diamant har visat att den har en Vickers hårdhet på upp till 200 GPa.
Q-kol
nyligen skapade forskare vid North Carolina State University vad de beskrev som en ny form av kol, skild från andra allotroper och rapporterade att de var svårare än diamant. Denna nya form gjordes genom att värma icke-kristallint kol med en högdriven snabb laserpuls till 3,700 °C och sedan snabbt kyla eller ”släcka” det – därav namnet ”Q-kol” – för att bilda mikron-stora diamanter.,
forskarna fann Q-kol att vara 60% hårdare än diamantliknande kol (en typ av amorft kol med liknande egenskaper som diamant). Detta har lett dem att förvänta sig Q-kol att vara svårare än diamond själv, även om detta fortfarande återstår att bevisas experimentellt. Q-kol har också de ovanliga egenskaperna att vara magnetiska och glödande när de utsätts för ljus. Men hittills har dess huvudsakliga användning varit som ett mellansteg för att producera små syntetiska diamantpartiklar vid rumstemperatur och tryck., Dessa nanodiamonds är för små för smycken men idealiska som ett billigt beläggningsmaterial för skärning och polering verktyg.