Насколько твердый?

Твердость — важное свойство материалов, которое часто определяет возможности их использования, но его весьма непросто определить. В случае с минералами устойчивость к царапинам является мерой твердости по отношению к другим минералам.

Есть несколько способов измерить твердость, но обычно используется инструмент, который делает брешь в поверхности материала. Соотношение между площадью испытуемой поверхности и приложенной силой производит значение твердости. Чем тверже материал, тем выше значение. Испытание на твердость по Виккерсу задействует пирамиду с квадратной основой с алмазным навершием, чтобы сделать выбоину.

Значение твердости по Виккерсу у мягкой стали составляет около 9 ГПа, а у алмаза — 70—100 ГПа. Стойкость алмаза легендарна, и сегодня 70% мировых природных алмазов входят в износостойкие покрытия инструментов, используемых для резки, сверления и шлифования, или в качестве добавок к абразивам.

Проблема алмаза в том, что хотя он и является очень твердым, он также на удивление нестабилен. При нагревании алмаза в воздухе свыше 800 градусов по Цельсию его химические свойства меняются, что влияет на его силу и позволяет реагировать с железом, делая его непригодным для обработки стали.

Ограничения в использовании алмазов привели к растущему вниманию в разработке новых, химически стабильных, сверхпрочных материалов на замену. Лучшие износостойкие покрытия позволят промышленным инструментам работать дольше от замены до замены частей и снизят зависимость от потенциально опасных для окружающей среды хладагентов. Ученым удалось изобрести несколько потенциальных конкурентов алмазу.

Самые твердые материалы на Земле

Самый прочный материал в мире, который тверже алмаза, – полимеризованный фуллерит. Этим материалом можно запросто поцарапать алмаз, с такой легкостью, будто это не драгоценный алмаз, а обычный пластик.

Cамый крепкий камень в мире: обзор горных пород и рейтинг

Данный материал представляет собой структурированный кристалл, узлы которого состоят из целых молекул, а не из маленьких атомов.

Лонсдейлит также считается крепким материалом. Это модификация аллотропного углерода, который по твердости близок к алмазу. Данный материал был извлечен из метеоритного кратера. Происхождение материала – графитное.

Третью позицию в рейтинге твердости прочно занимает вюртцитный нитрит бора. Высокую степень прочности данному материалу обеспечивает кристаллическая структура.

Наноструктурированный кубонит, или кингсонгит. Уникальные возможности данного материала обеспечили его частое использование в промышленности.

Нитрит углерода-бора занимает почетную пятую позицию в нашем рейтинге. Главными компонентами данного материала являются атомы бора, а также углерода с азотом.

Нитрид бора

Синтетический материал нитрид бора, впервые созданный в 1957 году, похож на уголь тем, что имеет несколько аллотропов. В своей кубической форме (c-BN) его кристаллическая структура похожа на алмазную, но вместо атомов углерода состоит из связанных иначе атомов бора и азота. c-BN химически и термально стабилен и широко используется сегодня в качестве сверхтвердого покрытия для станков в автомобильной и аэрокосмической промышленности.

Предлагаем ознакомиться  Сапфир для знака рыбы

Однако кубический нитрид бора, в лучшем случае, второй по твердости материал в мире по шкале Виккерса — около 50 ГПа. Его гексагональная форма (w-BN) изначально заявлялась еще более твердой, но эти результаты были основаны на теоретическом моделировании, которое прогнозировало на 18% выше твердости, чем у алмаза.

7 интересных фактов об алмазах

  • Алмазы образуются в земной мантии на глубинах порядка пары сотен километров. Там огромное давление и там очень жарко. Если алмаз нагреть до такой температуры на поверхности, то он сгорит. Ведь это совершенно такой-же углерод, как и в печке, просто атомы расположены по‑другому. А в земной мантии свободного кислорода нет, вот алмазы и не сгорают.
  • Углерод, из которого состоят алмазы, вроде бы не должен находиться на таких глубинах. Это легкий элемент, он распространен в земной коре, а глубже залегает то, что, за миллиарды лет после формирования планеты, успело «утонуть» в ее недрах. Видимо, дело в субдукции. Океаническая кора, состоящая в основном из базальтов, формируется в середине океанов, в зонах срединно-океанических хребтов.

Оттуда она «раздвигается» в противоположные стороны. Упирающийся в материк край коры подгибается под него и постепенно тонет в мантийном веществе. Вместе с осадочными породами, в которых много углерода. Этот процесс идет со скоростью порядка сантиметров в год, но непрерывно.

  • Ценимые ювелирами и их покупателями голубые алмазы — это почти обычный алмаз, окрашенный небольшой примесью бора. Бор еще легче углерода и его наличие на больших глубинах еще менее вероятно. По всей видимости, он попадает туда так же, но в меньших количествах. Формируются голубые алмазы на рекордной глубине — 600−700 километров. Поэтому на поверхности они очень редки — около 0.02% мировой добычи.
  • При кристаллизации алмаза внутри него иногда оказываются окружавшие его в этот момент вещества. Это беда для ювелира и счастье для геолога. Дело в том, что кристаллическая решетка алмаза из-за своей прочности может удержать захваченные минералы при том же давлении, при котором они находились в момент формирования нашего «камешка».
Предлагаем ознакомиться  Фото металла золото

А это существенно, поскольку многие вещества по мере изменения давления переходят из одного состояния в другое. Скажем, стабильный при шести и более гектопаскалях стишовит при снижении давления превращается в коэсит, а при достижении поверхности — в хорошо знакомый нам кварц. Его химическая формула при этом, конечно, не меняется — это диоксид кремния, SiO2. Кроме того по давлению во включениях можно точно определить глубину формирования алмаза.

  • На поверхность алмазы попадают с кимберлитом — древней магмой, когда-то прорвавшейся на поверхность через кимберлитовую трубку — относительно узкое, слегка расширяющееся к верху жерло. Названием трубка и минерал обязаны южноафриканскому городу Кимберли, возле которого в XIX веке была открыта первая такая трубка. Сейчас по всему миру известно примерно 1500 трубок. Увы, алмазы есть далеко не во всех, а примерно в каждой десятой. Как полагают геологи, на долю кимберлита приходится около 90% мировых запасов алмазов.
  • Оставшиеся 10% приурочены к лампроитам. Это тоже изверженные породы, характеризующиеся высоким содержанием калия и магния.
  • До открытия кимберлитовых трубок алмазы добывались в россыпях, преимущественно речных. Как сейчас ясно, они образовались при эрозии кимберлитовых вулканов, от которых к нашим дням остались только трубки. Россыпей, имеющих промышленное значение, в мире было немного. Бразильские были практически исчерпаны к концу XVIII века, индийские — парой веков раньше. Росcыпи в Южной Африке были найдены в XIX веке и именно их разработка около Кимберли в конечном итоге привела к находке первой трубки.

Искусственный алмаз

Искусственные алмазы производятся с 1950-х годов и часто заявляются тверже природных алмазов из-за другой кристаллической структуры. Их можно произвести путем подачи высокого давления и температуры к графиту, чтобы заставить его структуру перестроиться в тетраэдрический алмаз, но это дорого и долго.

Искусственное производство алмазов создает камни поликристаллов, состоящих из меньших кристалликов или «зерен», от нескольких микрон до нескольких нанометров. Они намного меньше, чем крупные монокристаллы большинства природных алмазов, используемых для создания ювелирных изделий. Чем меньше размер зерна, тем больше у него граней и тем тверже материал. Недавние исследования искусственного алмаза показали, что его твердость по Виккерсу может подниматься до 200 ГПа.

Предлагаем ознакомиться  Козерог какие камни носить

Обзор самых твердых горных пород

Самый твердый камень в мире – гранит, а пословица «твердый, как гранит» имеет не переносное, а прямое значение.

Кроме гранита, самые твердые горные породы – это сиенит и лабрадорит. Крепким камнем на Земле считается также черный габбро.

Эти породы намного тверже железа. Они появились на свете миллионы лет тому назад. Их появлению мы обязаны магме, которая в самых глубоких земных недрах постепенно застывала. Жидкие горные породы под воздействием высоких температур и атмосферного давления постепенно кристаллизовались.

Результатом таких природных процессов стали самые прочные камни на Земле. Этим камням свойственна полнокристаллическая структура зернистого характера. Такие породы имеют массивную заметную текстуру.

В пользу прочности гранита свидетельствует его возможность выдерживать почти 200 циклов замораживания и размораживания (будучи полностью погруженным в водное пространство). В то время как знакомый всем нам кирпич выдерживает всего лишь 15 таких циклов. А если ежегодно по граниту будут проходиться больше миллиона человек, то износ породы составит всего лишь 0,12 мм.

Все глубинные прочные породы очень схожи между собой. И очень часто только настоящий профессионал сможет отличить мелкозернистый гранит от габбро.

С черным гранитом также очень схож лабрадорит.

Cамый крепкий камень в мире: обзор горных пород и рейтинг

Причины схожести вышеперечисленных пород – одинаковые составные компоненты. Таковыми являются цветные минералы, слюда, а также кварц и шпаты. Твердые породы отличаются между собой только пропорциями содержания составных компонентов.

Прочный гранит имеет разновидности. Самым ценным является карельский гранит черного окраса. На просторах нашей необъятной страны есть месторождения коричнево-красных, а также серых и даже белых разновидностей гранита. В Испании есть даже розовый и зеленоватый гранит.

Кроме вышеперечисленных твердых пород, существуют также вулканические, которые отличаются особой прочностью. Это базальты и диабазы, липариты и порфиры, а также трахиты. По своим составным компонентам они совсем не отличаются от глубинных твердых пород.

Но образовались они другим путем. Такие материалы являются результатом деятельности вулканов. Такие материалы используются в отделочных работах, так как, кроме высокой степени твердости, они отличаются еще и привлекательным внешним видом.