Алмазы (бриллианты) ценятся за их твёрдость. В ювелирных изделиях они служат поколениям и устойчивы к царапинам при повседневном ношении. В качестве лезвий или свёрл они могут проникать практически куда угодно, не разрушаясь. В виде же порошка алмазы полируют драгоценные камни, металлы и другие материалы.
Так есть ли что-нибудь твёрже алмаза? Оказывается, найти ответ немного сложно.
Для большинства практических целей алмаз по-прежнему остаётся самым твёрдым материалом, рассказал Ричард Канер (Richard Kaner), специалист по химии материалов из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Существуют способы создания алмазов, которые твёрже стандартных драгоценных камней. Есть и другие материалы, которые теоретически могут быть твёрже алмаза, но они не существуют в форме, которую вы могли бы держать в руке или широко использовать.
И хотя любой, кто носит кольцо с бриллиантом, может подтвердить долговечность кристалла, важно понимать, что «твёрдость» для учёных означает нечто очень специфическое, сказал Пол Азимов (Paul Asimow), геохимик из Калифорнийского технологического института. Её часто путают с другими качествами, такими как жёсткость или прочность. Эти факторы иногда, но не всегда, коррелируют с твёрдостью.
Алмаз, например, очень твёрдый, но только умеренно твёрдый. И его на удивление легко разбить: он легко раскалывается вдоль своих кристаллических граней, благодаря чему огранщики драгоценных камней могут создавать красивые, многогранные и прекрасно сверкающие бриллианты.
Учёные измеряют твёрдость несколькими различными способами. Геологи часто полагаются на сравнительный показатель, называемый шкалой твёрдости Мооса, способ идентификации полезных ископаемых в полевых условиях на основе того, могут ли они поцарапать друг друга. Алмаз имеет оценку 10 — высшую оценку, что означает, что он может поцарапать практически всё. Мягкий, рассыпчатый тальк – 1.
В лаборатории материаловеды полагаются на более точное измерение, называемое тестом твёрдости по Виккерсу, который определяет твёрдость материала на основе силы, необходимой для вдавливания в него заостренного кончика. (Чтобы визуализировать это, представьте, что вы втыкаете карандаш в резиновый ластик.)
Алмаз состоит из атомов углерода, расположенных в виде кубической решётки, удерживаемых вместе короткими прочными химическими связями. Эта структура придаёт ему знаменитую твёрдость. Большинство материалов, о которых говорят, что они твёрже алмаза, получают в результате незначительного изменения классической кристаллической структуры алмаза или замены некоторых атомов углерода такими атомами, как бор или азот.
Основным претендентом на звание материала твёрже алмаза является лонсдейлит. Как и алмаз, лонсдейлит состоит из атомов углерода, но они расположены в виде гексагональной кристаллической структуры, а не кубической.
«Лонсдейлит очень загадочен», — отметил Азимов в интервью Live Science.
До недавнего времени его находили в таких крошечных количествах, в основном внутри метеоритов, что было неясно, считается ли он самостоятельным материалом или это просто дефект в стандартной кристаллической структуре алмаза.
Недавно группа учёных обнаружила в метеоритах кристаллы лонсдейлита микронного размера — всё ещё крошечные, но гораздо более крупные кристаллы, чем предыдущие находки. По словам Азимова, это придало минералу больше доверия. Другие учёные сообщали о получении лонсдейлита в лаборатории, хотя кристаллы просуществовали всего лишь долю секунды.
Итак, лонсдейлит интригует, но в ближайшее время он не заменит алмаз для таких применений, как резка, сверление или полировка.
Играя с наноразмерной структурой алмаза, можно также получить материал, который будет твёрже обычного алмаза. Материал, состоящий из множества крошечных кристаллов алмаза, будет твёрже, чем алмаз ювелирного качества, представляющий собой монокристалл, потому что наноразмерные зёрна сцепляются друг с другом, а не движутся мимо друг друга. Сообщается, что «нанодвойники» алмазов, в которых зёрна образуют зеркальное отображение друг друга, имеют вдвое большую твёрдость, чем обычные алмазы.
Однако, в конце концов, большинство учёных ищут сверхтвёрдые материалы не только для того, чтобы устанавливать рекорды — они пытаются создать действительно что-то полезное.
«Учёные-материаловеды тратят много времени на изобретение сверхтвёрдых материалов, которые могут быть изготовлены в больших масштабах, — сказал Азимов. — И для многих целей твёрдость алмаза не является критерием проектирования.»
Учёным необходимо что-то почти такое же твёрдое, как алмаз, но более дешёвое или простое в изготовлении в лабораторных условиях.
Например, лаборатория Канера создала множество сверхтвёрдых металлов, которые можно было бы использовать в промышленности вместо алмаза. Один из них, который сейчас доступен в продаже, представляет собой комбинацию вольфрама и бора с добавлением нескольких других металлов. Форма кристаллов придаёт материалу разные свойства в разных направлениях — поэтому, если держать его в правильной ориентации, он вполне в состоянии поцарапать алмаз, сказал Канер в интервью Live Science. Он также отметил, что его создание более доступно, отчасти потому, что для него не требуются условия высокого давления, используемые для изготовления лабораторных алмазов.
Таким образом, в то время как алмаз во многих его формах по-прежнему доминирует в плане твёрдости, классический материал в будущем столкнётся с трудностями в борьбе за свой трон.
