Самые прочные камни в мире топ 10. Самые твердые материалы: виды, классификация, характеристики, интересные факты и особенности, химические и физические свойства

Эталоном твердости всегда считался алмаз (сейчас ведутся споры по поводу этого утверждения). То есть, твердость всех материалов сравнивается с алмазом. Но некоторые природные материалы показывают твердость вполне сопоставимую с алмазом. В нашей подборке мы покажем самые твердые материалы на Земле.

Субоксид бора

Диборид рения

Бор-углерод-кремний

Карбид бора

Вюртцитный нитрид бора

Под определением прочность подразумевается способность материалов не поддаваться разрушению в результате воздействия внешних сил и факторов, приводящих к внутреннему напряжению. У материалов, обладающих высокой прочностью, широкая область применения. В природе существую не только твердые металлы и прочные породы древесины, но и искусственно созданные высокопрочные материалы. Многие люди уверены в том, что самый прочный материал в мире – это алмаз, но так ли это в действительности?

Общая информация:

Дата открытия – начало 60-х годов;

Первооткрыватели – Сладков, Кудрявцев, Коршак, Касаткин;

Плотность – 1,9-2 г/см3.

В недавнем времени научные сотрудники из Австрии завершили работу по налаживанию устойчивого изготовления карбина, являющегося аллотропной формой углерода на основе sp-гибридизации углеродных атомов. Показатели его прочности в 40 раз превзошли показатели алмаза. Информация об этом была размещена в одном из номеров научного печатного периодического издания “Nature Materials”.

После тщательного изучения его свойств, ученые пояснили, что по прочности он не сравнится ни с одним ранее открытым и изученным материалом. Тем не менее в процессе производства возникли значительные трудности: структура карбина образована из атомов углерода, собранных в длинные цепочки, в результате чего он начинает разрушаться в процессе изготовления.

Для устранения выявленной загвоздки, физики из общественного университета в Вене создали специальное защитное покрытие, в котором и синтезировался карбин. В качестве защитного покрытия использовались слои графена, положенные друг на друга и свернутые в «термос». Пока физики прилагали все усилия для достижения стабильных форм, они выяснили, на электрические свойства материала влияет протяженность атомной цепочки.

Извлекать карбин из защитного покрытия без повреждений исследователи так и не научились, поэтому изучение нового материала продолжается, руководствуются ученые только лишь относительной устойчивостью атомных цепочек.

Карбин – малоизученная аллотропная модификация углерода, первооткрывателями которой стали советские ученые-химики: А.М.Сладков, Ю.П.Кудрявцев, В.В.Коршак и В.И.Касаточкин. Информация о результате проведения опыта с подробным описанием открытия материала в 1967 году появилась на страницах одного из крупнейших научных журналов – «Доклады академии наук СССР». Спустя 15 лет в американском научном журнале «Science» появилась статья, поставившая под сомнение результаты, которые получили советские химики. Выяснилось, что присвоенные малоизученной аллотропной модификации углерода сигналы могли быть связаны с присутствием примесей силикатов. С годами подобные сигналы обнаружили в межзвездном пространстве.

Общая информация:

Первооткрыватели – Гейм, Новоселов;

Теплопроводность – 1 ТПа.

Графен представляет собой двумерную аллотропную модификацию углерода, в которой атомы объединены в гексагональную решетку. Несмотря на высокую прочность графена, толщина его слоя составляет 1 атом.

Первооткрывателями материала стали русские физики, Андрей Гейм и Константин Новоселов. В своей стране ученые не заручились финансовой поддержкой и приняли решение о переезде в Нидерланды и Соединенное Королевство Великобритании и Северной Ирландии. В 2010 году ученым присудили Нобелевскую премию.

На листе графена, площадь которого равняется одному квадратному метру, а толщина – одному атому, свободно держатся предметы массой до четырех килограмм. Помимо того, что графен высокопрочный материал, он еще и очень гибкий. Из материала с такими характеристиками в будущем можно будет плести нити и другие веревочные структуры, не уступающие в прочности толстому стальному канату. При определенных условиях материал, открытый русскими физиками, может справляться с повреждениями в кристаллической структуре.

Общая информация:

Год открытия – 1967;

Цвет – коричнево-желтый;

Измеренная плотность – 3,2 г/см3;

Твердость – 7-8 единиц по шкале Мооса.

Структура лонсдейлита, обнаруженного в воронке метеорита, схожа с алмазом, оба материала – это аллотропные модификации углерода. Вероятнее всего, в результате взрыва графит, являющийся одним из компонентов метеорита, и превратился в лонсдейлит. На момент обнаружения материала ученые не отметили высоких показателей твердости, тем не менее, было доказано, если в нем не будет примесей, то он ничем не будет уступать высокой твердости алмаза.

Общая информация о нитриде бора:

Плотность – 2,18 г/см3;

Температура плавления – 2973 градуса по Цельсию;

Кристаллическая структура – гексагональная решетка;

Теплопроводность – 400 Вт/(м×К);

Твердость – меньше 10 единиц по шкале Мооса.

Основные отличия вюрцитного нитрида бора, представляющего собой соединение бора с азотом, заключаются в термической и химической стойкости и огнеупорности. Материал может быть разной кристаллической формы. К примеру, графитная самая мягкая, но при этом стабильная, именно она используется в косметологии. Сфалеритная структура в кристаллической решетке подобна алмазам, но уступает по показателям мягкости, обладая при этом лучшей химической и термической стойкостью. Такие свойства вюрцитного нитрида бора позволяют использовать его в оборудовании для высокотемпературных процессов.

Общая информация:

Твердость – 1000 Гн/м2;

Прочность – 4 Гн/м2;

Год открытия металлического стекла – 1960.

Металлическое стекло – материал с высоким показателем твердости, неупорядоченной структурой на атомарном уровне. Основное отличие структуры металлического стекла от обычного – высокая электропроводность. Получают такие материалы в результате твердотельной реакции, быстрого охлаждения или ионного облучения. Ученые научились изобретать аморфные металлы, показатели прочности которых в 3 раза больше, чем у стальных сплавов.

Общая информация:

Предел упругости – 1500 Мпа;

KCU – 0,4-0,6 МДж/м2.

Общая информация:

Ударная вязкость КСТ – 0,25-0,3 МДж/м2;

Предел упругости – 1500 Мпа;

KCU – 0,4-0,6 МДж/м2.

Мартенситно-стареющие стали – сплавы железа, обладающие высокой прочностью при ударах, при этом не теряющие тягучести. Несмотря на такие характеристики, материал не держит режущую кромку. Полученные путем термообработки сплавы – это низкоуглеродистые вещества, берущие прочность от интерметаллидов. В состав сплава входит никель, кобальт и другие карбидообразующие элементы. Данная разновидность высокопрочной, высоколегированной стали легко поддается обработке, связано это с небольшим содержанием в ее составе углерода. Материал с такими характеристиками нашел применение в аэрокосмической области, его используют в качестве покрытия ракетных корпусов.

Осмий

Общая информация:

Год открытия – 1803;

Структура решетки – гексагональная;

Теплопроводность – (300 К) (87,6) Вт/(м×К);

Температура плавления – 3306 К.

Блестящий металл голубовато-белого цвета, обладающий высокой прочностью, принадлежит к платиноидам. Осмий, обладая высокой атомной плотностью, исключительной тугоплавкостью, хрупкостью, высокой прочностью, твердостью и стойкостью к механическим воздействиям и агрессивному влиянию окружающей среды, широко применяется в хирургии, измерительной технике, химической отрасли, электронной микроскопии, ракетной технике и электронной аппаратуре.

Общая информация:

Плотность – 1,3-2,1 т/м3;

Прочность углеродного волокна – 0,5-1 ГПа;

Модуль упругости углеродного высокопрочного волокна – 215 Гпа.

Углерод-углеродные композиты – материалы, которые состоят из углеродной матрицы, а она в свою очередь армирована углеродными волокнами. Основные характеристики композитов – высокая прочность, гибкость и ударная вязкость. Структура композиционных материалов может быть как однонаправленной, так и трехмерной. Благодаря таким качествам композиты широко используются в различных областях, включая и аэрокосмическую отрасль.

Общая информация:

Официальный год открытия паука – 2010;

>Ударная вязкость паутины – 350 МДж/м3.

Впервые паука, плетущего сети огромных размеров, обнаружили неподалеку от Африки, на островном государстве Мадагаскар. Официально этот вид пауков открыли в 2010 году. Ученых, прежде всего, заинтересовали паутины, сплетенные членистоногим. Диаметр кругов на несущей нити может доходить до двух метров. Показатели прочности паутины Дарвина превышают показатели прочности синтетического кевлара, используемого в авиационной и автомобильной промышленности.

Общая информация:

Теплопроводность – 900-2300 Вт/(м×К);

Температура плавления при давлении 11 Гпа – 3700-4000 градусов по Цельсию;

Плотность – 3,47-3,55 г/см3;

Показатель преломления – 2,417-2,419.

Алмаз в переводе с древнегреческого означает «несокрушимый», однако ученые открыли еще 9 элементов, превосходящих его по показателям прочности. Несмотря на бесконечное существование алмаза в обычной среде, при высокой температуре и инертном газе он может превратиться в графит. Алмаз – эталонный элемент (по шкале Мооса), обладающий одним из самых высоких показателей твердости. Для него, как и для многих драгоценных камней, характерна люминесценция, позволяющая блестеть при попадании на него солнечных лучей.

Драгоценный камень некоторое время назад потерял свой титул самого твёрдого материала в мире, уступив искусственным наноматериалам немного большей твёрдости. Сегодня редкое натуральное вещество, по всей видимости, оставит всех прочих позади - оно на 58% твёрже алмаза.

Зиченг Пэн (Zicheng Pan) из Шанхайского университета Цзяо Тун совместно с коллегами смоделировал, как атомы в двух субстанциях предположительно имеющих свойства очень твёрдых материалов будут реагировать на воздействие специального датчика.

Экстремальные условия

Первый - вюрцит бор нитрид имеет сходную с алмазом структуру, но состоит из других атомов.

Второй - минерал лонсдейлит, или гексагональный алмаз, состоит из атомов углерода, таких как алмаз, но они организованы по-другому.
Моделирование показало, что вюрцит бор нитрид способен выдержать на 18% больше воздействия, чем алмаз, а лонсдейлит - на 58% больше. Если результаты подтвердятся в рамках физических экспериментов, оба материала окажутся намного твёрже любого известного вещества.

Но произвести такие испытания будет не просто, т.к. оба материала не часто встречаются в природе.

Редкое вещество лонсдейлит формируется, когда метеориты, содержащие графит падают на Землю, а вюрцит бор нитрид формируется в процессе вулканических извержений при высоких температурах и давлении.

Гибкость

При успешных результатах вюрцит бор нитрид может стать наиболее применимым из двух, благодаря тому, что он устойчивый к кислороду при более высоких температурах, чем алмаз. Это делает его идеальным для применения на концах режущих и сверлильных инструментов, работающих при очень высоких температурах, или в качестве коррозиеустойчивых плёнок - на поверхности космических кораблей, например.

Парадоксально, своей твёрдостью вюрцит бор нитрид обязан гибкости связей между атомами, которые его образуют. Когда материал подвергается воздействию, некоторые связи меняют направление почти на 90º, чтобы ослабить напряжение. После того, как алмаз и вюрцит бор нитрид были подвергнуты одному и тому же процессу, что-то в структуре вюрцит бор нитрида сделало его почти на 80% твёрже, утверждает соавтор исследования Чанфенг Чен (Changfeng Chen) из университета Невады в Лас-Вегасе.

Учёные подчёркивают, для того, чтобы доказать теорию, необходимы монокристаллы каждого из материалов. На данный момент не существует способов изолировать или вырастить такие кристаллы.

На сегодняшний день не существует единой классификации полудрагоценных камней , есть лишь условное деление. Узнать все о камнях, их свойства описания можно на сайте http://www.catalogmineralov.ru/cont/poludragocennye_kamni.htm. Решая сделать подарок с полудрагоценным камнем близкому человеку, для начала ознакомьтесь с этим камнем.

Каждый из вас знает, что эталоном твердости на сегодня так и остается алмаз. При определении механической твердости существующих на земле материалов твердость алмаза берется как эталон: при измерениях методом Мооса – в виде поверхностного образца, методами Виккерса или Роквелла – в качестве индентора (как более твердое тело при исследовании тела с меньшей твердостью). На сегодняшний день можно отметить несколько материалов, твердость которых приближается к характеристикам алмаза.

Сравниваются в данном случае оригинальные материалы, исходя из их микротвердости по методу Виккерса, когда материал считается сверхтвердым при показателях в более 40 ГПа. Твердость материалов может изменяться, в зависимости от характеристик синтеза образца или направления приложенной к нему нагрузки.

Колебания показателей твердости от 70 до 150 ГПа – общеустановленное понятие для твердых материалов, хотя эталонной величиной принято считать 115 ГПа. Давайте рассмотрим 10 самых твердых материалов, кроме алмаза, которые существуют в природе.

10. Субоксид бора (B 6 O) — твердость до 45 ГПа

Субоксид бора обладает способностями создавать зерна, имеющие форму икосаэдров. Образованные зерна при этом не являются обособленными кристаллами или разновидностями квазикристаллов, представляя собой своеобразные кристаллы-двойники, состоящие из двух десятков спаренных кристаллов-тетраэдров.

10. Диборид рения (ReB 2) — твердость 48 ГПа

Многие исследователи ставят под сомнение вопрос, может ли этот материал причисляться к материалам сверхтвердого типа. Это вызвано весьма необычными механическими свойствами соединения.

Послойное чередование разных атомов делает этот материал анизотропным. Поэтому измерение показателей твердости получаются разными при наличии разнотипных кристаллографических плоскостей. Таким образом, испытаниями диборида рения при малых нагрузках обеспечивается твердость в 48 ГПа, а при увеличении нагрузки твердость становится намного меньше и составляет приблизительно 22 ГПа.

8. Борид магния-алюминия (AlMgB 14) — твердость до 51 ГПа

Состав представляет собой смесь алюминия, магния, бора с невысокими показателями трения скольжения, а также высокой твердостью. Эти качества могли бы стать находкой для производства современных машин и механизмов, работающих без смазки. Но использование материала в такой вариации пока что считается непомерно дорогим.

AlMgB14 — специальные тоненькие пленки, создающиеся при помощи лазерного напыления импульсного типа, имеют способность обладать микротвердостью до 51 ГПа.

7. Бор-углерод-кремний — твердость до 70 ГПа

Основа такого соединения обеспечивает сплаву качества, подразумевающие оптимальную устойчивость к химическим воздействиям негативного типа и высокой температуре. Такой материал обеспечивается микротвердостью до 70 ГПа.

6. Карбид бора B 4 C (B 12 C 3) — твердость до 72 ГПа

Еще один материал – карбид бора. Вещество достаточно активно стало использоваться в разных сферах промышленности практически сразу же после его изобретения в 18 веке.

Микротвердость материала достигает 49 ГПа, но доказано, что и этот показатель можно увеличить посредством добавления ионов аргона в строение кристаллической решетки – до 72 ГПа.

5. Нитрид углерода-бора — твердость до 76 ГПа

Исследователи и ученые со всего мира давно пытаются синтезировать многосложные сверхтвердые материалы, в чем уже были достигнуты ощутимые результаты. Компонентами соединения являются атомы бора, углерода и азота – близкие по размерам. Качественная твердость материала доходит до 76 ГПа.

4. Наноструктурированный кубонит — твердость до 108 ГПа

Материал еще называется кингсонгитом, боразоном или эльбором, а также обладает уникальными качествами, успешно используемыми в современной промышленности. При показателях твердости кубонита в 80-90 ГПа, близких к алмазному эталону, сила закона Холла-Петча способна обусловить их значительный рост.

Это означает, что при уменьшении размеров кристаллических зерен увеличивается твердость материала – существуют определенные возможности увеличения до 108 ГПа.

3. Вюртцитный нитрид бора — твердость до 114 ГПа

Вюрцитная кристаллическая структура обеспечивает высокие показатели твердости данному материалу. При локальных структурных модификациях, во время приложения нагрузки конкретного типа, связи между атомами в решетке вещества перераспределяются. В этот момент качественная твердость материала становится больше на 78 %.

2. Лонсдейлит — твердость до 152 ГПа

Лонсдейлит является аллотропной модификацией углерода и отличается явной схожестью с алмазом. Обнаружен твердый природный материал был в метеоритном кратере, образовавшись из графита – одного из компонентов метеорита, однако рекордной степенью прочности он не обладал.

Учеными было доказано еще в 2009 году, что отсутствие примесей способно обеспечить твердость, превышающую твердость алмаза. Высокие показатели твердости способны обеспечиваться в этом случае, как и в случае с вюртцитным нитридом бора.

1. Фуллерит — твердость до 310 ГПа

Полимеризованный фуллерит считается в наше время самым твердым материалом, известным науке. Это структурированный молекулярный кристалл, узлы которого состоят из целых молекул, а не из отдельных атомов.

Твердость фуллерита составляет до 310 ГПа, и он способен поцарапать алмазную поверхность, как обычный пластик. Как видите, алмаз это больше не самый твёрдый природный материал в мире, науке доступны более твердые соединения.

Пока это самые твердые материалы на Земле, известные науке. Вполне возможно, в скором времени нас ждут новые открытия и прорыв в области химии/физики, что позволит добиться более высокой твердости.