Все мы слышали, что алмаз – самый твердый минерал на нашей планете. Однако науке известен тот, который превосходит ее по заявленному показателю. Изучить его непросто, так как он встречается только в метеоритах.
Твердость минерала не означает, насколько он не поддается на ощупь. Имеется в виду его устойчивость к внешним воздействиям. Грубо говоря, его может чесать что угодно. Для бриллианта это значение по шкале Мооса составляет 10 из 10. Определить его относительно легко. Необходимо провести серию опытов, в которых поверхность минерала царапается другими минералами. Если там остается характерная линия, делается вывод, что пораженный объект не такой твердый, как тот, который оказался «победителем». Чем выше число Мооса у минерала, тем меньше братьев он может повредить. Десятка в данном случае означает полную неуязвимость. Алмазы могут поцарапать друг друга. Некоторые синтетические материалы могут сделать то же самое. Но среди полезных ископаемых он все же абсолютный чемпион.
Что делает алмазы такими твердыми? Это отчасти потому, что они сделаны полностью из углерода. Атомы, сгруппированные в некоторых минералах, образуют решетку, которая скрепляется химическими связями. Последние преимущественно ионные и ковалентные. В первом случае происходит перенос электронов с одного атома на другой, что придает завидную прочность. Но ковалентная связь еще более устойчива, так как электроны здесь общие для атомов. Корунд, разновидностями которого являются рубины и сапфиры, может похвастаться тем, что в нем используются оба типа связей. Алюминий обменивается электронами с кислородом, при этом атомы последнего также ковалентно связаны. Итак, наконец, твердость корунда по шкале Мооса равна девяти.
Поскольку алмаз состоит из чистого углерода, внутри него используются только ковалентные связи. Но само по себе это не объясняет, почему он тверже рубина. Тот же графит, хотя и выглядит совсем по-другому, тоже состоит из названного химического элемента, но твердость по шкале Мооса всего 1,5. Он настолько мягкий, что его можно поцарапать даже ногтем. Здесь уместно вспомнить еще одно положение из школьной программы — о том, что необходимо учитывать форму решетки минерала.
Обратите внимание: Знакомьтесь – Turritopsis Nutricula, единственное бессмертное существо на нашей планете.
Атомы графита образуют наложенные друг на друга двумерные слои. Внутри этих «листов» ковалентные связи очень прочны, но бесконечные плоскости почти не удерживают друг друга. Поэтому грифель карандаша из этого материала оставляет свой след на бумаге.Тем временем атомы алмаза образуют трехмерную кубическую структуру, каждый из которых удерживает четырех соседей. В отличие от графита, он противостоит ударам со всех сторон. Если мы хотим найти более твердый материал, мы должны искать что-то, что представляет собой чистый углерод, но имеет еще более совершенную структуру. И здесь мы упомянем странное слово «лонсдейлит». Атомы этой модификации углерода образуют гексагональную решетку, то есть ковалентно связаны с шестью себе подобными. А два дополнительных узла должны дать нам еще более прочный материал.
К сожалению, эта теория пока не подтверждена на практике. Несмотря на то, что лонсдейлит был описан еще в шестидесятых годах прошлого века, получить его в достаточном количестве пока не удается. Этот минерал встречается в природе, но не в почве. Его скудные объемы обнаруживаются в крайне редких метеоритах, которые называются уреилитами. Они богаты углеродом и, по мнению некоторых специалистов, образовались в результате разрушения карликовой планеты на заре Солнечной системы. Внутри этих «инопланетян» можно найти графит и алмазы, но в паре образцов был обнаружен лонсдейлит. Иногда здесь даже можно увидеть переходные зоны между этими минералами. Это говорит о том, что какое-то внешнее воздействие изменило расположение атомов углерода, в результате чего одни из них образовали алмаз, а другие — лонсдейлит.
Ученые продолжают работать над выявлением возможных причин такой трансформации и созданием для нее необходимых условий. Если им удастся добиться желаемого результата, наука, скорее всего, получит технологию получения минерала, который тверже алмаза. В настоящее время больше всего сторонников имеет сценарий быстрой декомпрессии, поскольку уреилит также содержит минералы, присутствующие в недрах Земли. Все они, кажется, образовались под огромным давлением, но когда карликовая планета разлетелась на куски, материал подвергся воздействию космического вакуума.
Одна из гипотез предполагает, что при таком резком изменении давления и температуры связи между атомами углерода могут смещаться, превращаясь в кубическую решетку алмаза, а лонсдейлит образовался позже. Однако авторы исследования, результаты которого были опубликованы в 2022 году, считают, что все было как раз наоборот. Атомы углерода в уреилите под сильнейшим внешним воздействием образовали лонсдейлит, большая часть которого по мере остывания остатков планеты превратилась в алмазы. В общем, чтобы сделать достаточно лонсдейлита для проверки твердости, нужно придумать, как повторить процесс. После этого необходимо предотвратить быстрое охлаждение этой модификации углерода и его «деградацию» в алмазы.
В 2021 году исследовательская группа объявила, что им не только удалось получить лонсдейлит, но и экспериментально подтвердили его большую твердость по сравнению с алмазом. Однако метод, который он использовал, был несколько своеобразным. Полученный материал разрушился сразу после окончания «испытания». Остается дождаться, пока ученые, устранив выявленные недостатки своей технологии, повторят успех и представят шокированной публике синтетический лонсдейлит. Если он действительно окажется тверже алмаза, авторы исследования станут очень богатыми людьми. Сегодня алмазы используются во многих отраслях промышленности, а более твердый материал обеспечит еще более эффективные и долговечные инструменты. Что, конечно, было бы просто здорово.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Все мы наслышаны о том, что алмаз – это самый твердый минерал на нашей планете.