Najtvrđi prirodni mineral. Najjači kamen na svetu. Briga o crnim dijamantima

Svako od vas zna da dijamant danas ostaje standard tvrdoće. Prilikom određivanja mehaničke tvrdoće materijala koji postoje na zemlji, tvrdoća dijamanta se uzima kao standard: kada se mjeri Mohsovom metodom - u obliku površinskog uzorka, Vickersovim ili Rockwellovim metodama - kao indentor (kao tvrđi tijelo kada se proučava tijelo manje tvrdoće). Danas postoji nekoliko materijala čija se tvrdoća približava karakteristikama dijamanta.

U ovom slučaju, originalni materijali se uspoređuju na osnovu njihove mikrotvrdoće prema Vickers metodi, kada se materijal smatra supertvrdim pri vrijednostima većim od 40 GPa. Tvrdoća materijala može varirati ovisno o karakteristikama sinteze uzorka ili smjeru opterećenja primijenjenog na njega.

Fluktuacije u vrijednostima tvrdoće od 70 do 150 GPa su općenito utvrđen koncept za čvrste materijale, iako se 115 GPa smatra referentnom vrijednošću. Pogledajmo 10 najtvrđih materijala, osim dijamanta, koji postoje u prirodi.

10. Bor suboksid (B 6 O) - tvrdoća do 45 GPa

Borov suboksid ima sposobnost stvaranja zrna u obliku ikosaedara. Formirana zrna nisu izolirani kristali ili varijeteti kvazikristala, već su svojevrsni dvojni kristali, koji se sastoje od dva tuceta uparenih tetraedarskih kristala.

10. Renijum diborid (ReB 2) - tvrdoća 48 GPa

Mnogi istraživači postavljaju pitanje da li se ovaj materijal može klasifikovati kao supertvrda vrsta materijala. To je uzrokovano vrlo neobičnim mehaničkim svojstvima spoja.

Smjenjivanje različitih atoma sloj po sloj čini ovaj materijal anizotropnim. Stoga su mjerenja tvrdoće različita u prisustvu različitih tipova kristalografskih ravnina. Dakle, ispitivanja renijum diborida pri malim opterećenjima daju tvrdoću od 48 GPa, a sa povećanjem opterećenja tvrdoća postaje znatno niža i iznosi približno 22 GPa.

8. Magnezijum aluminijum borid (AlMgB 14) - tvrdoća do 51 GPa

Sastav je mješavina aluminija, magnezija, bora sa malim trenjem klizanja, kao i visokom tvrdoćom. Ove kvalitete bi mogle biti blagodat za proizvodnju modernih mašina i mehanizama koji rade bez podmazivanja. Ali korištenje materijala u ovoj varijanti i dalje se smatra pretjerano skupim.

AlMgB14 - specijalni tanki filmovi stvoreni pomoću pulsnog laserskog taloženja, imaju sposobnost mikrotvrdoće do 51 GPa.

7. Bor-ugljenik-silicijum - tvrdoća do 70 GPa

Osnova takvog spoja daje leguri kvalitete koji podrazumijevaju optimalnu otpornost na negativne kemijske utjecaje i visoke temperature. Ovaj materijal ima mikrotvrdoću do 70 GPa.

6. Bor karbid B 4 C (B 12 C 3) - tvrdoća do 72 GPa

Drugi materijal je bor karbid. Supstanca se počela prilično aktivno koristiti u raznim poljima industrije gotovo odmah nakon svog pronalaska u 18. stoljeću.

Mikrotvrdoća materijala dostiže 49 GPa, ali je dokazano da se ta brojka može povećati dodavanjem jona argona u strukturu kristalne rešetke - do 72 GPa.

5. Ugljen-bor nitrid - tvrdoća do 76 GPa

Istraživači i naučnici iz cijelog svijeta već dugo pokušavaju sintetizirati složene supertvrde materijale, sa već postignutim opipljivim rezultatima. Komponente spoja su atomi bora, ugljika i dušika - slične veličine. Kvalitativna tvrdoća materijala dostiže 76 GPa.

4. Nanostrukturirani kubonit - tvrdoća do 108 GPa

Materijal se naziva i kingsongit, borazon ili elbor, a ima i jedinstvene kvalitete koji se uspješno koriste u modernoj industriji. Sa vrijednostima tvrdoće kubonita od 80-90 GPa, blizu standardu dijamanta, sila Hall-Petch zakona može uzrokovati njihovo značajno povećanje.

To znači da se smanjenjem veličine kristalnih zrna povećava i tvrdoća materijala - postoje određene mogućnosti za povećanje do 108 GPa.

3. Wurtzit bor nitrid - tvrdoća do 114 GPa

Kristalna struktura vurcita osigurava visoku tvrdoću ovom materijalu. S lokalnim strukturnim modifikacijama, tijekom primjene određene vrste opterećenja, veze između atoma u rešetki tvari se redistribuiraju. U ovom trenutku kvalitetna tvrdoća materijala raste za 78%.

Lonsdaleit je alotropska modifikacija ugljika i ima jasnu sličnost s dijamantom. U meteoritskom krateru otkriven je čvrst prirodni materijal, formiran od grafita, jedne od komponenti meteorita, ali nije imao rekordnu snagu.

Naučnici su još 2009. godine dokazali da odsustvo nečistoća može dati tvrdoću veću od tvrdoće dijamanta. U ovom slučaju se mogu postići visoke vrijednosti tvrdoće, kao u slučaju wurtzit bor nitrida.

Polimerizovani fulerit se u naše vreme smatra najtvrđim materijalom poznatim nauci. Ovo je strukturirani molekularni kristal, čiji se čvorovi sastoje od cijelih molekula, a ne od pojedinačnih atoma.

Fullerit ima tvrdoću do 310 GPa i može izgrebati površinu dijamanta kao obična plastika. Kao što vidite, dijamant više nije najtvrđi prirodni materijal na svijetu; tvrđi spojevi su dostupni nauci.

Do sada, ovo su najtvrđi materijali na Zemlji poznati nauci. Sasvim je moguće da nas uskoro očekuju nova otkrića i otkrića u oblasti hemije/fizike, koja će nam omogućiti da postignemo veću tvrdoću.

Dragocjeni kamen je prije nekog vremena izgubio titulu najtvrđeg materijala na svijetu, ustupivši mjesto umjetnim nanomaterijalima nešto veće tvrdoće. Danas se čini da će rijetka prirodna supstanca ostaviti sve ostale iza sebe - 58% je tvrđa od dijamanta.

Zicheng Pan sa Šangajskog univerziteta Jiao Tong i njegove kolege su modelirali kako će atomi u dvije supstance koje navodno imaju svojstva vrlo tvrdih materijala reagirati na poseban senzor.

Ekstremni uslovi

Prvi je wurtzit bor nitrid, koji ima strukturu sličnu dijamantu, ali se sastoji od različitih atoma.

Drugi je mineral lonsdaleite, ili heksagonalni dijamant, sastavljen od atoma ugljika poput dijamanta, ali su različito organizirani.
Modeliranje je pokazalo da wurtzit bor nitrid može izdržati 18% više udara od dijamanta, a lonsdaleite - 58% više. Ako se rezultati potvrde fizičkim eksperimentima, oba materijala će biti mnogo tvrđi od bilo koje poznate supstance.

Ali neće biti lako izvršiti takve testove, jer oba materijala se ne nalaze često u prirodi.

Rijetka supstanca lonsdaleit nastaje kada meteoriti koji sadrže grafit padnu na Zemlju, dok vurcit bor nitrid nastaje tokom vulkanskih erupcija pod visokim temperaturama i pritiskom.

Fleksibilnost

Ako bude uspješan, wurtzit bor nitrid može postati korisniji od ova dva zbog svoje otpornosti na kisik na višim temperaturama od dijamanta. To ga čini idealnim za upotrebu na krajevima alata za rezanje i bušenje koji rade na vrlo visokim temperaturama, ili kao folije otporne na koroziju na površinama svemirskih letjelica, na primjer.

Paradoksalno, wurtzit bor nitrid duguje svoju tvrdoću fleksibilnosti veza između atoma koji ga formiraju. Kada je materijal pod naprezanjem, neke veze mijenjaju smjer za skoro 90º kako bi se smanjio stres. Nakon što su dijamant i wurtzit bor nitrid bili podvrgnuti istom procesu, nešto u strukturi wurtzit bor nitrida ga je učinilo gotovo 80% težim, kaže koautor studije Changfeng Chen sa Univerziteta Nevada u Las Vegasu.

Naučnici naglašavaju da su za dokazivanje teorije potrebni pojedinačni kristali svakog materijala. Trenutno ne postoji način da se izoluju ili uzgajaju takvi kristali.

Danas ne postoji jedinstvena klasifikacija poludragog kamenja, postoji samo uslovna podjela. Sve o kamenju i njihovim opisnim svojstvima možete saznati na web stranici http://www.catalogmineralov.ru/cont/poludragocennye_kamni.htm. Kada se odlučite pokloniti dragoj osobi sa poludragim kamenom, prvo upoznajte kamen.

Šta u neživoj prirodi oduševljava i zadivljuje ljude više od dragulja? Dragoceno kamenje je neverovatno lepo i retko, njegovo posedovanje čini čoveka mudrijim i veličanstvenijim - u svakom slučaju, to tvrde brojne legende i verovanja vezana za ove najlepše minerale. Ali koji je kamen najskuplji na svijetu? Hajde da saznamo mišljenje stručnjaka o cijeni najskupljeg kamenja.

10 Smaragd i safir

U prosjeku, dobar safir (oko 6.000 po karatu) ispada skuplji od ne baš kvalitetnog smaragda. Ovo se svakako odnosi na obični plavi ili svijetloplavi safir. Što se tiče najrjeđeg dragulja narandže (zove se padparadscha), o njemu ćemo dalje. Ovo je svakako jedan od najskupljih kamena na svijetu.

Što se tiče smaragda - tamnozelenog ili travnatog kamenja - unatoč njihovom relativno velikom broju, vrlo je malo čistih primjeraka. Oni su ti koji su tako visoko cijenjeni.

Treba napomenuti nekoliko nevjerovatnih primjera. Prvo, ovo je Milenijum - safir od 61 hiljadu karata, ukrašen rezbarijama - 134 portreta najistaknutijih svetskih slavnih ličnosti milenijuma, uključujući, na primer, Betovena, Šekspira i Ajnštajna. Njegova trenutna cijena je 180 miliona dolara.

A najveći smaragd je Bahian grumen, koji je težak 1,9 miliona karata i košta 400 miliona dolara.

Ovo je najrjeđi crveni beril koji se kopa isključivo u državama Utah i New Mexico u SAD-u. Poznato je samo nekoliko kamenja, od kojih najveći teži nešto više od 3 karata.

Jedan karat košta najmanje 10, pa čak i 12 hiljada dolara. To se objašnjava ne samo njegovom ljepotom, već i izuzetnom rijetkošću dragulja.

Tvrdoća kamenja određena je tvrdoćom po Mohs-u i tvrdoćom po Rosivalu. Danas samo kolekcionari i amateri određuju tvrdoću kamenja pomoću Mohsove skale. Ranije, kada optika još nije bila visoko razvijena, autentičnost dragog kamenja određivala se metodom određivanja tvrdoće ogrebotine. Sada su naučili umjetno uzgajati kamenje i stoga Mohsova metoda ne određuje baš precizno. Ovu metodu određivanja tvrdoće izmislio je bečki mineralog Friedrich Mohs. Ova metoda ima mana što je oštećenje kamena, ali ima i prednosti, ne zahtijeva skupu opremu ili laboratoriju.
Princip ove metode je da se odredi otpornost kamena na grebanje njegove površine oštrim posebnim predmetom. Kamenje sa tvrdoćom po Mohsu iznad 7 je tvrdo kamenje, a kamenje sa tvrdoćom po Mohsu ispod 7 podložno je abraziji običnom prašinom, jer prašina sadrži sitna zrnca kvarca koja imaju Mohsovu tvrdoću 7. Dakle, kamenje sa tvrdoćom po Mohsu 7. ispod 7 brzo se zatamne i brzo se troše.poliraju se i jako se ogrebu u dodiru sa tvrđim predmetima. Potrebno je mjeriti tvrdoću ogrebotine samo oštrim rubom uzorka samo na glatkim i svježim površinama kamena, a ako je odredite na rebrastim formacijama ili na rudama koje su istrošene s površine, tada će vrijednosti tvrdoće ogrebotine biti potcijenjen. Neki kamenčići na različitim stranama i na različitim ravnima mogu imati različitu tvrdoću ogrebotine. Na primjer, dijamant ima takve razlike i zahvaljujući tome može se polirati, iako se tvrdoća dijamanta na Mohsovoj skali smatra najvišom.
Ispod je relativna Mohsova skala tvrdoće za kamenje koja pokazuje kako se kamen može ogrebati i kakvu Rosival tvrdoću kamen ima u zavisnosti od njegove Mohsove tvrdoće ogrebotine.

Mohsova skala za jednostavno određivanje tvrdoće

Nakon što ste odredili tvrdoću kamena na grebanje, možete koristiti posebno kreiranu tablicu za određivanje prikladnosti kamena.
Mohs relativna tabela.

Nastaje u dubinama crvenih zvezdanih divova, deo je vitalnih masti, aminokiselina i ugljenih hidrata, može formirati milione jedinjenja sa različitim hemijskim elementima i, u zavisnosti od svoje strukture, ima potpuno različita mehanička svojstva. Mekana i lomljiva jezgra olovke i najtvrđi mineral, dijamant, napravljeni su od istog građevinskog materijala - ugljenika. Šta dijamant čini tako jedinstvenim? Gdje se koristi? Koja je njegova vrijednost?

Neuništivi toplotni provodnik

U prijevodu sa starogrčkog, riječ “dijamant” znači “neuništiv”. I prije antike ljudi su poznavali nevjerovatnu snagu ovog kamena. U antičko doba, dijamantima se široko trgovalo u Indiji i Egiptu. I ovaj mineral je došao na evropska prostranstva nakon agresivnih pohoda Aleksandra Velikog. Donio je kamenje kao magične artefakte. Stari Grci su ovaj najtvrđi mineral nazivali suzama bogova koje su pale na zemlju.

Ali tajna neuništivosti kamena, naravno, nije u misticizmu ili u vezi s duhovnim svijetom. Jasna rešetkasta struktura elementa u obliku tetraedara i jaka veza između atoma ugljika pružaju najveću snagu. Zahvaljujući tome, odličan je provodnik toplote. Na primjer, da je moguće napraviti čajnu žličicu od jednog komada dijamanta, ne biste mogli njome razmutiti šećer u vrućem čaju, jer biste se opekli čim kašika dotakne kipuću vodu.

Poređenje tvrdoće minerala

Kako odrediti koji je mineral najteži? Talentovani nemački mineralog Karl Fridrih Moos ozbiljno se bavio ovim pitanjem u devetnaestom veku. Godine 1811. naučnik je predložio korištenje komparativne skale za određivanje tvrdoće različitih minerala. Sastoji se od deset tačaka, od kojih svaka odgovara određenom mineralu. Prvi (talk) je najmekši, a posljednji, shodno tome, najtvrđi. Provjera se vrši eksperimentalno. Ako je uzorak (na primjer, srebro) izgreban fluoritom, koji je broj četiri na skali, ali nije oštećen gipsom (standard broj dva), tada srebro ima tvrdoću 3 na Mohsovoj skali.

Najtvrđi mineral je dijamant. On je deseti. Iako je Mohsova tabela uvedena početkom devetnaestog vijeka, ona je i dalje široko primjenjiva. Međutim, vrijedi zapamtiti da ova tablica nije linearna. To znači da deseti dijamant neće biti dvostruko tvrđi od apatita, koji je peti na tabeli. Za određivanje apsolutne vrijednosti tvrdoće koriste se i druge metode.

Od kraljeva do radnika

Dugo su vremena dijamanti bili isključivi prerogativ proizvođača nakita. Međutim, s razvojem industrije, ovaj najtvrđi mineral se sve više počeo razmatrati ne samo s uobičajene estetske strane, već i sa stajališta njegovih jedinstvenih fizičkih svojstava. U početku su se u proizvodnji instrumenata koristili prirodni dijamanti koji se nisu mogli rezati. To je kamenje koje je imalo nedostatke koje zlatar nije mogao ispraviti. Počeli su se nazivati ​​industrijskim dijamantima.

Kako je vrijeme prolazilo, potreba za alatima sa dijamantskim reznim ivicama i ivicama za bušenje se povećavala. Na primjer, u građevinskoj industriji su veoma traženi.Njihova prednost u odnosu na svoje kolege izrađene od legura tvrdih metala je u tome što se pri radu dijamantskom bušilicom ne stvaraju mikropukotine u materijalu. Dijamant lako i čisto reže bilo koji materijal, bilo da se radi o kamenu, betonu ili metalu. A odsutnost mikropukotina je ključ trajnosti strukture. Osim toga, sam radni proces je mnogo brži, osjetno lakši i mnogo tiši.

Na osnovu toga, nije iznenađujuće da se, prema podacima za 2016. godinu, samo u Rusiji proizvodi 1.200 vrsta raznih alata i opreme, čiji je glavni radni dio dijamant.

Primjena u medicini

Najtvrđi mineral u prirodi nije pogodan samo za obradu grubih i tvrdih stijena. Dijamant je također nezamjenjiv u medicinskim instrumentima. Uostalom, što je tanji i precizniji rez tkiva, to se tijelo bolje nosi s oporavkom. A za složene operacije na vitalnim organima širina reza igra još više odlučujuću ulogu.

Osim toga, skalpel s tankim dijamantskim filmom na oštrici ostaje oštar dugo vremena.

Izgledi u elektronici

Razvoj dijamantskih integriranih kola također aktivno napreduje. Za podlogu koriste sićušne dijamante. Oprema proizvedena ovom metodom otpornija je na promjene temperature i velike napone. Dijamanti se također mogu koristiti za prijenos podataka u telekomunikacijama. Karakteristike ovih kristala omogućavaju da se signali različitih frekvencija prenose istovremeno preko istog kabla.

Najtvrđi mineral na Zemlji pomaže u istraživanju svemira

Dijamant je takođe tražen u hemijskoj industriji. Agresivno okruženje koje lako oštećuje staklo apsolutno nije opasno za dijamant. Fizičari koriste kristale za izvođenje eksperimenata u kvantnoj fizici i istraživanje svemira.

Prilikom stvaranja teleskopske optike zahtjevi za preciznošću i pouzdanošću materijala postaju kritični. Tu na scenu stupa najtvrđi prirodni mineral koji ima izvanredne fizičke i hemijske parametre.

Sinteza dijamanata

Uz tako intenzivnu potražnju za najtvrđim plemenitim mineralom, pitanje njegove umjetne sinteze postalo je akutno. Napominjemo da nikakve rezerve kamenja nisu u stanju da zadovolje sve veću potražnju. I nakon dugih eksperimenata, naučnici su uspjeli stvoriti analog prirodnog dijamanta koji ima sve potrebne karakteristike. Do danas je proizvodnja za industrijske potrebe već postala uobičajena praksa.

Postoji nekoliko metoda za sintezu ovog minerala. Prvi je najbliži svom formiranju u prirodnom okruženju. Sinteza se izvodi uz pomoć ultravisoke temperature i ogromnog pritiska. Druga tehnika vam omogućava da izvučete dijamant iz pare. Koristi se u filmskoj tehnologiji - kristali se nanose u tankom filmu na rezne ivice alata. Ova metoda je posebno tražena u proizvodnji hirurških instrumenata. A treći proizvodi raspršivanje malih kristala pomoću detonacije i brzog hlađenja.

Eksperimenti su nastavljeni i sintetiziran je bor nitrid, koji je 20% tvrđi od prirodnog dijamanta. Međutim, do sada je ova tvar toliko mala da se dijamant tradicionalno i dalje smatra najtvrđim mineralom.