Fråga vem som helst vad är det hårdaste material på Jorden, och han kommer förmodligen att svara “diamant”. Eller “lysande”, men det är samma diamond, bara skära. Namnet diamant kommer från det grekiska ordet Adamas” som betyder “indestructible” eller “invincible”, så att du kan bli förvånad, och ordet “orubblig”. Hårdhet diamond gör det en otrolig klippa material — och vackra — och resultaten i hög efterfrågan i tusentals år.
Moderna forskare har under decennier sökt efter en billigare, mer fast och praktiskt alternativ, och varje åren nyheter läcker ny “starkaste materialet i världen”. Men är det lätt att ta sig runt diamant för alla dessa parametrar?
Trots sin unika överklagande, en diamant är bara en särskild form eller “allotrope” av kol. I familjen av kol har flera allotropes, inklusive kolnanorör, diamant och grafit. De är alla består av kolatomer, men skillnaden i de typer av atomic obligationer ger dessa material av olika struktur och egenskaper.
Det yttre skalet av varje kolatom har fyra elektroner. I diamond elektroner delas av fyra andra kolatomer som bildar mycket starka kemiska bindningar och extremt styv tetraedriska kristall. Denna enkla, men tät arrangemang av atomer som gör att diamant är en av de svåraste ämnen som finns på Jorden.
Hur hårt?
Hårdhet är en viktig egenskap av material, som ofta avgör deras användning, men det är mycket svårt att avgöra. I fall av mineraler reptålighet är ett mått på hårdheten i förhållande till andra mineraler.
Det finns flera sätt att mäta hårdhet, men vanligtvis bör du använda verktyget som gör ett hål i ytan av materialet. Förhållandet mellan den areal av provytan och den kraft som anbringas ger en hårdhet värde. Ju hårdare materialet är, desto högre värde. Hårdhet test Vickers använder en pyramid med kvadratisk bas med diamant toppning för att göra en grop.
Värdet av Vickers hårdhet i stål är ca 9 GPA för och diamond — 70-100 HPa. Motstånd av diamant är legendariska, och i dag 70 procent av världens naturliga diamanter är slitstarka beläggningar av verktyg som används för kapning, borrning och slipning, eller som tillsatser till slipmedel.
Problemet med diamant i att även om han är väldigt stark, han är också förvånansvärt instabil. Genom uppvärmning diamant i luft på mer än 800 grader Celsius, dess kemiska egenskaper förändras, vilket påverkar dess styrka och gör att den reagerar med järn, vilket gör det olämpligt för bearbetning av stål.
De begränsningar för användning av diamanter har lett till en ökad uppmärksamhet i utvecklingen av nya, kemiskt stabilt, tunga material för utbyte. Det bästa slitstark beläggning kommer att tillåta industriell instrument att arbeta längre från byte till byte av delar och minska beroendet av potentiellt miljöfarliga köldmedier. Forskare har lyckats uppfinna några potentiella konkurrenter till diamant.
Boron nitride
Syntetiskt material är kubisk bornitrid, skapade först 1957, liknar kol i det att den har flera allotropes. I sin kubiska form (c-BN) kristall struktur som liknar diamant, men i stället för kol atomer är något annat sätt närstående till den som bor och kväve atomer. c-BN är kemiskt och termiskt stabila och används ofta som superhårda beläggningar för verktygsmaskiner inom bil-och flygindustrin.
Men, kubisk bornitrid, i bästa fall, näst hårdaste material i världen på Vickers skala av ca 50 HPa. Dess sexkantiga form (w-BN) inledningsvis förklarat ännu mer fast, men resultaten var baserade på teoretiska simuleringar, som förutspådde en 18% högre hårdhet än diamant. Tyvärr, w-MILJARDER i naturen är sällsynt och svårt att producera i tillräcklig mängd för att genomföra ett experiment med tillförlitliga resultat.
Konstgjorda diamanter
Konstgjorda diamanter framställs från 1950-talet och kommer ofta svårare än naturliga diamanter på grund av olika kristallstrukturer. De kan framställas genom att tillämpa ett högt tryck och hög temperatur till grafit för att göra sin struktur för att kunna rekonstrueras i den tetraedriska diamond, men det är dyrt och tidskrävande. Ett annat sätt är att effektivt bygga en diamant av kolatomer, som utvinns från den uppvärmda kolvätegaser, men de typer av material som kan användas som substrat, är begränsad.
Artificiell produktion av diamanter skapar stenar polycrystals som består av mindre kristaller eller “korn”, från några mikrometer till några få nanometer. De är mycket mindre än den stora inre kristaller av de flesta naturliga diamanter som används för att skapa smycken. Mindre kornstorlek, fler ansikten och hårdare material. Nyligen genomförda studier av konstgjorda diamanter har visat att Vickers hårdhet kan stiga till 200 HPa.
Q-kol
Nyligen har forskare från North Carolina state University har skapat, och som de beskrev en ny form av kol, som skiljer sig från andra allotropes, och rapporterade att det är hårdare än diamant. Denna nya form skapades i processen för uppvärmning icke-kristallint kol med hög effekt för snabb laserpuls upp till 3700 grader C följt av en snabb nedkylning eller “släcka” honom — därför Q, “släcka” — med bildandet av micron storlek diamanter.
Forskarna upptäckte att Q-kol är 60% hårdare än diamantlikt kol (typ av amorft kol med egenskaper som liknar diamant). På grundval av detta, forskare har beslutat att Q-kol kommer att vara starkare än diamant, även om det återstår att verifieras experimentellt. Q-kol har också ovanligt magnetiska egenskaper och lyser i solljuset. Och ändå, är det primära syftet var att använda som ett mellanled i produktionen av liten konstgjord diamant partiklar vid rumstemperatur och normalt lufttryck. Dessa nanodiamonds är för små för smycken, men helst fungera som ett billigt material för beläggning av skärning och polering av verktyg.