Наперегонки с природой: о попытках создать самый твердый материал

Спросите любого, какой материал самый твердый на Земле, и он, вероятно, ответит «алмаз». Или «бриллиант», но это тот же алмаз, только ограненный. Название алмаза происходит от греческого слова «адамас», что означает «нерушимый» или «непобедимый», поэтому вы наверняка встречали и слово «адамант». Твердость алмаза делает его невероятным режущим материалом — и красивым — и обеспечивает ему высокий спрос тысячи лет.

Современные ученые десятками лет искали более дешевые, более твердые и практичные альтернативы, и каждые несколько лет в новости просачивается новый «прочнейший в мире материал». Но так ли легко обойти алмаз по всем этим параметрам?

Несмотря на свою уникальную привлекательность, алмаз — это просто особая форма, или «аллотроп», углерода. В семействе углерода есть несколько аллотропов, включая углеродные нанотрубки, алмаз и графит. Все они состоят из атомов углерода, но именно различие в типах атомных связей обеспечивает эти материалы разной структурой и свойствами.

Внешняя оболочка каждого атома углерода имеет четыре электрона. В алмазе эти электроны разделяют четыре других атома углерода, что образует очень прочные химические связи и чрезвычайно жесткий четырехгранный кристалл. Именно это простое, но плотное расположение атомов делает алмаз одним из твердейших веществ на Земле.

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.

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.

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. К сожалению, w-BN в природе редко встречается и его трудно произвести в достаточных количествах, чтобы провести эксперимент с надежными результатами.

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. Другой способ заключается в эффективном выстраивании алмаза из атомов углерода, извлеченных из нагретых углеводородных газов, но типы материалов, которые можно использовать в качестве подложки, ограничены.

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.

Q-углерод

Совсем недавно ученые из Университета штата Северная Каролина создали, как они описали, новую форму углерода, отличную от других аллотропов, и сообщили, что она тверже алмаза. Эта новая форма была создана в процессе нагревания некристаллического углерода высокомощным быстрым лазерным импульсом до 3700 градусов с последующим быстрым охлаждением или «закалкой» его — отсюда Q, от «quenching» — с образованием алмазов микронных размеров.

Ученые обнаружили, что Q-углерода на 60% тверже алмазоподобного углерода (типа аморфного углерода с аналогичными алмазным свойствами). Исходя из этого, ученые решили, что Q-углерод будет прочнее самого алмаза, хотя это еще предстоит проверить экспериментально. Q-углерод также обладает необычными магнитными свойствами и светится под действием света. И все же, его основным назначением было использование в качестве промежуточного шага в производстве крошечных искусственных алмазных частиц при комнатной температуре и давлении. Эти наноалмазы слишком малы для ювелирного дела, но идеально выступают в качестве дешевого материала для покрытия режущих и полирующих инструментов.