Найтвердіші матеріали: види, класифікація, характеристики, цікаві факти та особливості, хімічні та фізичні властивості. Найтвердіші матеріали у світі Найміцніший матеріал у світі твердіший за алмаз

Дорогоцінний камінь якийсь час тому втратив свій титул найтвердішого матеріалу у світі, поступившись штучним наноматеріалам трохи більшої твердості. Сьогодні рідкісна натуральна речовина, мабуть, залишить всіх інших позаду - вона на 58% твердіша за алмаз.

Зіченг Пен (Zicheng Pan) з Шанхайського університету Цзяо Тун спільно з колегами змоделював, як атоми в двох субстанціях імовірно мають властивості дуже твердих матеріалів реагуватимуть на вплив спеціального датчика.

Екстремальні умови

Перший - вюрцит бор нітрид має подібну до алмазу структуру, але складається з інших атомів.

Другий – мінерал лонсдейліт, або гексагональний алмаз, складається з атомів вуглецю, таких як алмаз, але вони організовані по-іншому.
Моделювання показало, що вюрцит бор нітрид здатний витримати на 18% більше дії, ніж алмаз, а лонсдейліт – на 58% більше. Якщо результати підтвердяться в рамках фізичних експериментів, обидва матеріали виявляться набагато твердішими за будь-яку відому речовину.

Але зробити такі випробування непросто, т.к. обидва матеріали не часто зустрічаються у природі.

Рідкісна речовина лонсдейліт формується, коли метеорити, що містять графіт, падають на Землю, а вюрцит бор нітрид формується в процесі вулканічних вивержень при високих температурах і тиску.

Гнучкість

При успішних результатах вюрцит бор нітрид може стати найбільш застосовним з двох завдяки тому, що він стійкий до кисню при більш високих температурах, ніж алмаз. Це робить його ідеальним для застосування на кінцях ріжучих і свердлильних інструментів, що працюють при дуже високих температурах, або як корозії стійких плівок - на поверхні космічних кораблів, наприклад.

Парадоксально, своєю твердістю вюрцит бор нітрид завдячує гнучкості зв'язків між атомами, що його утворюють. Коли матеріал піддається впливу, деякі зв'язки змінюють напрямок майже на 90º, щоб послабити напругу. Після того, як алмаз і вюрцит бор нітрид були піддані тому самому процесу, щось у структурі вюрцит бор нітриду зробило його майже на 80% твердіше, стверджує співавтор дослідження Чанфенг Чен (Changfeng Chen) з університету Невади в Лас-Вегасі.

Вчені підкреслюють, щоб довести теорію, необхідні монокристали кожного з матеріалів. На даний момент немає способів ізолювати або виростити такі кристали.

На сьогоднішній день не існує єдиної класифікації напівдорогоцінного каміння, є лише умовний поділ. Дізнатися все про камені, їх властивості опису можна на сайті http://www.catalogmineralov.ru/cont/poludragocennye_kamni.htm. Вирішуючи зробити подарунок з напівдорогоцінним каменем близькій людині, спочатку ознайомтеся з цим каменем.

Алмаз досі залишається еталоном твердості та використовується у різних методиках вимірювання механічної твердості матеріалів (методи Роквелла, Віккерса, Моосу). Але існують матеріали, як порівняні за твердістю з алмазом, а й перевершують його за цією характеристикою.

У статті для порівняння матеріалів наведено їхню мікротвердість за Віккерсом. Надтвердими вважаються матеріали, твердість яких перевищує 40 ДПа. Для «еталонного» алмазу цей показник може коливатися в межах 70 -150 ГПа залежно від його чистоти та методу одержання (зазвичай наводиться величина твердості алмазу 115 ГПа). Те саме стосується й інших матеріалів: їх твердість змінюється в залежності від умов синтезу зразка, а іноді варіюється і в залежності від напряму доданого до нього навантаження.

1.Фуллерит (до 310 ДПА)

Полімеризований фуллерит - найтвердіша речовина, відома науці на даний момент. Він є молекулярним кристалом — структурою, у вузлах якої знаходяться не окремі атоми, а цілі молекули (фулерени — одна з алотропних модифікацій вуглецю, що формою нагадує футбольні м'ячики). Фуллерит залишає подряпини на діамантовій поверхні, як на пластмасі.

2. Лонсдейліт (до 152 ДПА)

Пророцтво існування лонсдейліта практично збіглося за часом з його виявленням у природі. Цю алотропну модифікацію вуглецю, багато в чому схожу на алмаз, було знайдено в метеоритному кратері. Але природний лонсдейліт, який, ймовірно, утворився з графіту, що входив до складу метеорита, не відзначався рекордною твердістю. Лише в 2009 році вчені довели, що у відсутності домішок лонсдейліт може бути твердішим за алмаз. Високу твердість йому надає приблизно той самий механізм, що діє у разі вюртцитного нітриду бору.

3. Вюртцитний нітрид бору(до 114 ДПА)

Нітрид бору з вюртцитною (щільною гексагональною) кристалічною структурою твердіше, ніж здається: в момент застосування навантаження він зазнає локальних структурних модифікацій, міжатомні зв'язки в його ґратах перерозподіляються, і твердість матеріалу зростає на 78%.

4. Наноструктурований кубоніт (до 108 ДПА)

Кубічний нітрид бору було вперше отримано 1957 року Робертом Венторфом(Robert H. Wentorf Jr.) для компанії General Electric. У 1969 році компанія зареєструвала торгову марку "Боразон" для кристала.

У СРСР кубічний нітрид бору був вперше синтезований у Інститут фізики високих тисків Академії наукпід керівництвом академіка Л. Ф. Верещагіна. З 1965 року ельбор синтезувався у промислових масштабах за технологією Абразивного заводу «Ілліч»(Ленінград).

Унікальні властивості кубоніту (також відомого під назвами ельбора, боразону та кінгсонгіту) широко використовуються в промисловості. Твердість кубоніту (кубічної модифікації нітриду бору) близька до алмазної і становить 80-90 ГПа. У силу закону Холла-Петча зменшення розміру кристалічних зерен веде до збільшення твердості, і вчені довели, що наноструктурування кубоніту здатне збільшити його твердість до 108 ГПа.

5.Нітрид вуглецю-бору (до 76 ДПА)

Атоми азоту, вуглецю та бору близькі за розмірами. Вуглець і бор утворюють схожі кристалічні структури, що відрізняються високою твердістю. Вчені роблять спроби синтезувати надтверді матеріали, що складаються з атомів усіх трьох типів - і не безуспішно: наприклад, кубічна модифікація BC 2 N демонструє твердість 76 ГПа.

6. Карбід бору (до 72 ДПА)

Карбід бору — поширений у сучасній промисловості матеріал — було отримано ще позаминулому столітті. Його мікротвердість (49 гПа) може бути значно підвищена введенням у кристалічні ґрати іонів аргону – до 72 гПа.

7. Бор-вуглець-кремній (до 70 ДПА)

Сплави на основі системи бор-вуглець-кремній надзвичайно стійкі до хімічного впливу та високої температури, вони відрізняються високою мікротвердістю, що досягає 70 ГПа (для B 4 C-B 4 Si)

8. Борід магнію-алюмінію (до 51 ДПА)

Сплав бору, магнію та алюмінію відомий своїм низьким коефіцієнтом тертя ковзання (якби цей матеріал не був такий дорогий, його можна було б використовувати для виготовлення машин і механізмів, що працюють без мастила) і високою твердістю. Тонкі плівки AlMgB 14 отримані методом імпульсного лазерного напилення демонструють мікротвердість до 51 ГПа.

9. Діборид ренію (до 48 ДПА)

Механічні властивості з'єднання бору і ренію вельми незвичайні: через пошарове чергування різних атомів диборид ренію анізотропен, тобто при вимірі твердості по різних кристалографічних площинах виходять різні значення. При випробуваннях під малим навантаженням диборидрування демонструє твердість 48 ГПа, проте при збільшенні навантаження значення твердості різко падає, встановлюючись на рівні приблизно 22 ГПа. Тому деякі дослідники сумніваються, чи потрібно зараховувати диборидрування до надтвердих матеріалів.

10. Монокристалічний субоксид бору (до 45 ДПА)

Субоксид бору, що містить "недостатню" кількість атомів кисню, явно демонструє властивості керамічних матеріалів: високу міцність, хімічну інертність, стійкість до стирання при відносно невисокій щільності. Субоксид бору здатний утворювати зерна у формі ікосаедрів, які не є ні окремими кристалами, ні квазікристалами - це кристали-двійники, що стоять з 20 кристалів-тетраедрів, що «зрослися». Твердість монокристалів субоксиду бору становить 45 гПа.

Твердість алмазу можна визначити з допомогою кількох відомих раніше шкал.Твердість мінералів – такий показник, вимірювання якого краще уникати, якщо така можливість є. Щоб перевірити твердість, потрібно дряпати мінерал різними матеріалами. Фрідріх Моос – відомий вчений-мінералог – у 1811 році запропонував використовувати для визначення твердості каміння спеціальну шкалу, яку він вигадав. Згодом її назвали шкалою Мооса.

Що таке твердість? Простими словами, це опір, який чинить мінерал, коли його намагаються подряпати іншим мінералом чи матеріалом. Фрідріх Моос розробив шкалу з коефіцієнтом твердості від 1 до 10, де 1 це тальк, а 10 алмаз. Вчений взяв у свою еталонну шкалу доступні мінерали і побудував їх у лінійку за зростанням опору іншим мінералам. Числа твердості, вказані Моосом, не визначають справжню твердість мінералу.

Діамант – найтвердіший у світі мінерал природного походження, за шкалою Моосу його показник дорівнює 10. Корунд має показник, рівний 9. Вчений вдалося синтезувати карборунд, який перевершує за твердістю корунд, але алмаз він все одно не дряпає. Сталь за твердістю набагато поступається алмазу, її твердість знаходиться в діапазоні від 5,5 до 7,5 в залежності від металу. Твердіше алмазу метал стали зробити не вдалося. Але твердість сталі визначається за допомогою алмазних пластин: наскільки пластинка або пірамідка вдавиться в зразок сталі, така буде твердість. Зараз все частіше на виробництві алмази замінюються сталевими кульками спеціальних сплавів.

Міцність алмазу, або чому алмаз такий твердий

Дуже давно, коли на Землі ще не було життя, а сама планета була молода, на поверхні відбувалися природні процеси. Тектонічна порода знаходилася в розплавленому стані, вона перемішувалась під дією високих температур та пар різних випарів, а потім повільно остигала. Всі ці процеси призвели до формування найтвердішого каменю, який зараз називається алмазом.

Походження назви даного каменю сягає своїм корінням в глибоку давнину, чому його стали називати саме алмазом, до кінця залишається невідомим, але існує ряд припущень:

1. Слово діамант прийшло з Греції. "Адамас" - "твердий", "незламний".
2. "Ал-ма" від перського "твердий".
3. Назва каменю походить від жіночого імені Еліза або Елайза. Повна форма цього імені Єлизавета, означає «Божа милість». За легендою була дівчина, яка мала дар зцілення людей. Ім'я її було Еліза. Вона була міцна душею і тілом, могла своїм умінням підняти на ноги навіть саму тяжкохвору людину. Якось Еліза закохалася в прекрасного юнака, він відповів на її почуття, їхня любов була прекрасна, але тривала недовго. Еліза вирушила в далеку дорогу, щоб поповнити запаси цілющих трав. У цей час її коханий тяжко захворів. Коли Еліза повернулася, він був уже мертвий. Дівчина жила в горах, вона зайшла в одну з печер гірської місцевості та гірко заплакала. Це були найперші її сльози, вони звернулися до каміння, яке потім почали називати алмазами.

Твердість алмазу та графіту

Цікавим фактом є те, що алмаз - найміцніший мінерал, а графіту за шкалою Мооса відповідає число 1, що означає, що він м'який.

Алмаз і графіт складаються з однакових атомів того самого хімічного елемента – вуглецю. Тоді чому одна речовина найм'якша, а інша – найтвердіша? Відповідь дуже проста. Вся справа в хімічних зв'язках чи кристалічних ґратах цих мінералів. Атоми вуглецю по-різному пов'язані між собою, тому вони виявляють різні хімічні та фізичні властивості: мають різний зовнішній вигляд, твердість, пластичність, блиск та інші параметри. Графіт має шарувату структуру. Атоми вуглецю між собою пов'язані слабко, це пояснює те, що графіт дуже м'який.

Лонсдейліт – синтетичний алмаз

У природі немає матеріалу твердіше за алмаз, але наука не стоїть на місці. Вченим вдалося синтезувати речовину, яка є на 58% міцнішою за алмаз. Назва цього матеріалу – лонсдейліт. Він може витримати тиск на 55 ГПа більше, ніж найтвердіший природний мінерал. Але його використання майже неможливе, тому що його дуже важко отримувати. Вартість отримання не виправдовує витрачених коштів, а його застосування немає особливої ​​необхідності. Названий лонсдейліт на честь кристалографа Кетлін Лонсдейл, яка була родом із Британії.

Все ще думаєте, що алмаз – найтвердіша речовина на нашій планеті? Минулий вік! У нашому ТОП 10 – найтвердіші речовини на планеті, і в них лише на четвертому місці.

1 Ульратвердий фулерит

Подряпати алмаз? Просто. Для цього підходить ультратвердий фулерит. У гранях цього кристала – цілі молекули фуллерона, що робить його надзвичайно міцним, приблизно втричі міцнішим за алмаз.

2

На відміну від штучного фуллериту лонсдейліт можна знайти в місцях зіткнення астероїдів з земною поверхнею. Особливістю цієї речовини є здатність модифікувати під тиском. Якщо навантаження ззовні зростає, лонсдейліт перебудовує свою структуру так, щоб стати ще міцнішим.

3

Аналогічний механізм запускається у бронзового медаліста нашої десятки найтвердіших речовин на землі. Це вюртцитний нітрид бору. При збільшенні тиску цей матеріал, він стає твердіше свого нормального стану майже вдвічі.

4

Натуральний алмаз все ще чіпляється за свої позиції, проте мало хто знає, що алмази по твердості теж бувають різними. Залежно від якості каменю, його твердість коливається від 70 до 150 гігапаскалів. Але, все ж, тверду четвірку він заслуговує.

5

Усе це назви однієї й тієї ж речовини – кубічного нітриду бору, відкритого ще 1985 року. Цікаво дізнатися, що боразон у чомусь алмаз перевершує – його температура горіння майже вдвічі перевищує температуру горіння алмазу.

6

А ось ця речовина існує лише потенційно і досі доведена лише теоретично. Тим не менш, коли воно буде створено, Нітрид вуглецю бору (c-BC2N) буде в деяких аспектах твердіше алмазу.

7

Карбід бору – один із старожилів нашої десятки найтвердіших речовин на планеті. У 2016 році виповнюється 123 роки з моменту його відкриття. І, тим не менш, він досі тримає марку - це одна з найтугоплавкіших і хімічно стійких речовин, що не розчиняється навіть у киплячих кислотах.

8

Диборид відрізняється винятковою міцністю в одному з напрямків своїх кристалічних ґрат. Щоб одержати цю речовину, диборид магнію змішують з хлоридом осмію та витримують при температурі +1000С три дні. І та й інша речовина розчиняються навіть водою, але кристали, що вийшли, - набагато твердіше.

9

Ще один кристал, який настає на п'яти алмазу. Його кристалічні грати в окремих напрямках навіть твердіші за цей природний мінерал. У той же час, за іншими – у п'ять-шість разів м'якше. Так що 9 місце він отримує заслужено.

10

Трикомпонентна речовина, яка має ідеальне ковзання і відмінну твердість. Матеріал існує у вигляді найтоншого напилення.

У своїй діяльності людина використовує різні якості речовин та матеріалів. І зовсім не маловажним є їхня міцність і надійність. Про найтвердіші матеріали в природі і створені штучно йтиметься в цій статті.

Загальноприйнятий стандарт

Для визначення міцності матеріалу використовується шкала Мооса - шкала оцінки твердості матеріалу за його реакцією на дряпання. Для обивателя найтвердіший матеріал – це алмаз. Ви здивуєтеся, але цей мінерал лише десь на 10-му місці серед найтвердіших. У середньому матеріал вважають надтвердим, якщо його показники вищі за 40 ГПа. Крім того, при виявленні найтвердішого матеріалу у світі слід враховувати і природу його походження. У цьому міцність і міцність часто залежить від впливу зовнішніх чинників нею.

Найтвердіший матеріал на Землі

У даному розділі звернемо увагу на хімічні сполуки з незвичайною кристалічною структурою, які набагато міцніші за алмази і цілком можуть його подряпати. Наведемо топ-6 найтвердіших матеріалів, створених людиною, починаючи з найменш твердого.

• Нітрид вуглецю – бору. Це досягнення сучасної хімії має показник міцності 76 гПа.
• Графеновий аерогель (аерографен) - матеріал у 7 разів легший за повітря, що відновлює форму після 90 % стиснення. Напрочуд міцний матеріал, здатний до того ж увібрати кількість рідини або навіть масла в 900 разів більше за власну вагу. Цей матеріал планується використовувати для розливів нафти.
• Графен - унікальний винахід та найміцніший матеріал у Всесвіті. Про нього нижче трохи докладніше.
• Карбін - лінійний полімер алотропного вуглецю, з якого роблять супертонкі (1 атом) і суперміцні трубки. Довгий час нікому не вдавалося побудувати таку трубку завдовжки більш як 100 атомів. Але австрійським вченим із Віденського Університету вдалося подолати цей бар'єр. Крім того, якщо раніше карбін синтезувався в малих кількостях і був дуже дорогим, то сьогодні з'явилася можливість його синтезувати тоннами. Це відкриває нові обрії для космотехніки і не тільки.
• Ельбор (кінгсонгіт, кубоніт, боразон) - це наноконструйована сполука, яка сьогодні широко застосовується в обробці металів. Твердість – 108 ДПа.

• Фуллерит - ось який найтвердіший матеріал на Землі, відомий людині сьогодні. Його міцність у 310 гПа забезпечується тим, що він складається не з окремих атомів, а з молекул. Ці кристали легко подряпають алмаз, як ніж масло.

Чудо рук людських

Графен - ще один винахід людства на основі алотропних модифікацій вуглецю. На вигляд - тонка плівка товщиною в один атом, але в 200 разів міцніше сталі, що має виняткову гнучкість.

Саме про графена говорять, що, щоб його проткнути, на кінчику олівця має стояти слон. При цьому його електропровідність вища за кремній комп'ютерних чіпів у 100 разів. Незабаром він залишить лабораторії та увійде у повсякденне життя у вигляді сонячних панелей, стільникових телефонів та чіпів сучасних комп'ютерів.

Два дуже рідкісні результати аномалій у природі

У природі зустрічаються дуже рідкісні сполуки, які мають неймовірну міцність.

• Нітрид бору – речовина, кристали якої мають специфічну вюрцитну форму. З додатком навантажень з'єднання між атомами в кристалічній решітці перерозподіляються, підвищуючи міцність на 75%. Показник твердості – 114 ДПа. Утворюється ця речовина при вулканічних виверженнях, у природі дуже мало.
• Лонсдейліт (на головному фото) – з'єднання алотропного вуглецю. Матеріал був виявлений у вирві метеорита, вважається, що він утворився з графіту під впливом умов вибуху. Показник твердості – 152 гПа. У природі трапляється рідко.

Чудеса живої природи

Серед живих істот на нашій планеті є такі, які мають щось зовсім особливе.

• Павутина Caerostris darwini. Нитка, яку виділяє павук Дарвіна, міцніша за сталі і твердіша за кевлар. Саме це павутиння було взято вченими НАСА на озброєння при розробці космічних захисних костюмів.
• Зуби молюска Морське блюдце - їхня волокниста структура сьогодні вивчається біонікою. Вони настільки міцні, що дозволяють молюску віддерти водорості, що вросли у камінь.

Залізна береза

Ще одне диво природи – береза ​​Шмідта. Її деревина - найтвердіша біологічного походження. Росте вона на Далекому Сході в заповіднику Кедрова Падь і внесена до Червоної книги. Міцність можна порівняти з залізом і чавуном. Але при цьому не схильна до корозії і гниття.

Повсюдному використанню деревини, яку не пробивають навіть кулі, перешкоджає її виняткова рідкість.

Найтвердіший з металів

Це метал біло-блакитного кольору – хром. Але його міцність залежить від його чистоти. У природі його міститься 0,02%, що зовсім мало. Видобувають його із силікатних гірських порід. Багато хрому містять і метеорити, що падають на Землю.

Він корозійностійкий, жароміцний та тугоплавкий. Хром входить до складу багатьох сплавів (хромиста сталь, ніхром), які широко використовуються в промисловості та в антикорозійних декоративних покриттях.

Разом міцніше

Один метал – це добре, але в деяких поєднаннях можливе надання сплаву дивовижних властивостей.

Надміцний сплав титану та золота - єдиний міцний матеріал, який виявився біосумісним із живими тканинами. Сплав beta-Ti3Au настільки міцний, що його неможливо подрібнити у ступці. Вже сьогодні ясно, що це майбутнє різних імплантатів, штучних суглобів та кісток. Крім того, він може бути застосований у буровому виробництві, виготовленні спортивного спорядження та у багатьох інших сферах нашого життя.

Подібними властивостями може володіти і сплав паладію, срібла та деяких металоїдів. Над цим проектом сьогодні працюють вчені інституту Калтеку.

Майбутнє по 20 доларів за моток

Який твердий матеріал вже сьогодні може купити будь-який обиватель? Усього за 20 доларів можна купити 6 метрів стрічки Braeön. З 2017 року вона надійшла у продаж від виробника Дастіна Маквільямса. Хімічний склад і спосіб виробництва зберігаються у суворому секреті, але якості її вражають.

Стрічкою можна скріпити абсолютно все. Для цього її необхідно обмотати навколо деталей, що скріплюються, розігріти звичайною запальничкою, надати пластичному складу потрібну форму і все. Після остигання стик витримає навантаження в 1 тонну.

І твердий, і м'який

У 2017 році з'явилася інформація про створення дивовижного матеріалу - найтвердішого та найм'якшого одночасно. Цей метаматеріал винайшли вчені з Університету Мічиган. Їм вдалося навчитися керувати структурою матеріалу та змушувати його виявляти різні властивості.

Наприклад, при використанні його для створення автомобілів при русі кузов матиме жорсткість, а при зіткненні - м'якість. Кузов абсорбує енергію зіткнення та захистить пасажира.