Общеизвестно, что алмаз считается эталоном твердости среди природных минералов. Однако в научном мире существует кандидат, который теоретически способен превзойти этот рекорд. Речь идет о лонсдейлите — редчайшем материале, который пока что удается найти лишь в составе метеоритов, что делает его изучение чрезвычайно сложной задачей.
Что на самом деле означает «твердость»?
Важно понимать, что твердость минерала — это не субъективное ощущение, а его способность сопротивляться механическим воздействиям, в частности, царапанию. Эталоном измерения служит шкала Мооса, где алмазу присвоен максимальный балл — 10. Метод проверки прост: если один минерал может оставить царапину на другом, он считается более твердым. Алмаз царапает все остальные природные минералы, и лишь некоторые синтетические материалы или другой алмаз могут повредить его поверхность, что по-прежнему делает его абсолютным чемпионом в природе.
Шкала твердости Мооса
Секрет прочности: от химических связей к кристаллической решетке
Выдающаяся твердость алмаза обусловлена его уникальным строением. Он состоит исключительно из атомов углерода, соединенных прочными ковалентными связями, когда электроны обобществляются между атомами. Для сравнения, корунд (рубин, сапфир), занимающий второе место с твердостью 9, обладает смешанными ионно-ковалентными связями, что делает его чуть менее устойчивым.
Красный корунд. Россия, Средний Урал. Фото: Маша Мильшина
Однако одного лишь наличия ковалентных связей недостаточно. Яркий пример — графит, который, как и алмаз, состоит из углерода, но имеет твердость всего 1,5. Разгадка кроется в структуре кристаллической решетки. Атомы графита образуют слои, которые слабо связаны между собой, что делает материал мягким и скользким. В алмазе же каждый атом углерода прочно связан с четырьмя соседями, формируя объемную трехмерную решетку, которая и обеспечивает непревзойденную прочность со всех направлений.
Обратите внимание: Знакомьтесь – Turritopsis Nutricula, единственное бессмертное существо на нашей планете.
Лонсдейлит: теоретический преемник алмаза
Чтобы превзойти алмаз, нужен материал с еще более совершенной структурой. Таким претендентом является лонсдейлит — еще одна аллотропная модификация углерода. Теоретически его атомы образуют гексагональную решетку, где каждый атом связан не с четырьмя, а с шестью соседями. Эта особенность должна придавать материалу феноменальную твердость, превышающую показатели алмаза.
Космическое происхождение и научные загадки
Практическое изучение лонсдейлита затруднено его редкостью. В природе он встречается не в земных недрах, а в особом типе метеоритов — уреилитах. Считается, что эти метеориты являются осколками древней карликовой планеты. Внутри них ученые находят графит, алмазы и, в единичных случаях, лонсдейлит, иногда даже в переходных формах между этими минералами.
NWA 4231, образец уреилового метеорита
Основная гипотеза образования лонсдейлита связана с экстремальными условиями: колоссальным давлением внутри небесного тела и последующей быстрой декомпрессией при его разрушении. Однако научный спор о последовательности событий продолжается. Одни исследователи полагают, что сначала образовался алмаз, а затем часть его превратилась в лонсдейлит. Другие, основываясь на данных 2022 года, утверждают обратное: сначала сформировался лонсдейлит, который затем частично трансформировался в алмазы при остывании.
Гонка за синтезом и будущее сверхтвердых материалов
Ключевая задача современной науки — не только синтезировать лонсдейлит в лаборатории, но и стабилизировать его, предотвратив превращение в обычный алмаз. В 2021 году прозвучала сенсационная новость: исследователям удалось не только получить лонсдейлит, но и экспериментально подтвердить его превосходство в твердости над алмазом. Правда, полученный образец оказался нестабильным и быстро разрушился.
Исследователи алмазов делали лонсдейлит
Если технология будет доработана и станет возможным промышленное производство стабильного лонсдейлита, это произведет революцию во многих отраслях. Более твердые, чем алмаз, материалы позволят создавать сверхпрочные режущие и буровые инструменты, износостойкие покрытия и элементы высокоточных устройств, открывая новую эру в материаловедении и технике.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Все мы наслышаны о том, что алмаз – это самый твердый минерал на нашей планете.