Ποιο είναι το σκληρότερο υλικό στη Γη;

Το Diamond βαθμολογείται με τέλειο 10 στην κλίμακα σκληρότητας Mohs, υποδεικνύοντας ότι είναι το πιο σκληρό φυσικό υλικό όταν υποβάλλεται σε γρατσουνιές. Ωστόσο, ο lonsdaleite, μια ουσία που βρίσκεται στους μετεωρίτες, προβλέπεται να είναι ακόμη πιο σκληρός από το διαμάντι.

Ρωτήστε οποιονδήποτε λάτρη της επιστήμης "ποιο είναι το πιο σκληρό υλικό;" και αναμφίβολα θα απαντήσει διαμάντι .

Η λέξη διαμάντι έχει τις ρίζες της στην ελληνική λέξη ἀδάμας (διαβάζεται ως αδάμας), που σημαίνει ανυπέρβλητος ή άθραυστος. Για δεκαετίες, οι άνθρωποι εκμεταλλεύονται την άψογη σκληρότητα του διαμαντιού για να διεξάγουν εντατικές δραστηριότητες κοπής. Επίσης, δεδομένης της ικανότητάς τους να αλληλεπιδρά όμορφα με το φως, τα διαμάντια είναι ένα πολύ περιζήτητο κόσμημα για τις γυναίκες. Είναι όμως το διαμάντι το πιο σκληρό υλικό στη Γη;

Λοιπόν, σχεδόν… αλλά οι επιστήμονες ανακάλυψαν έναν πιθανό αντίπαλο που πιστεύεται ότι είναι ακόμη πιο σκληρός από το διαμάντι.

Εκθαμβωτικό διαμάντι (Φωτογραφία :Manutsawee Buapet/Shutterstock)

Η πιο σκληρή ουσία στον πλανήτη μας που απαντάται στη φύση

Όταν πρόκειται για το φυσικό σκληρότερες ουσίες, το διαμάντι είναι ο ξεκάθαρος νικητής. Χάρη στη συμπαγή του δομή, είναι πολύ δύσκολο να νικήσει τη σκληρότητά του. Τώρα, τίθεται το ερώτημα… πώς μετράμε τη σκληρότητα;

Μέτρηση σκληρότητας

Στην επιστήμη των υλικών, η αξιολόγηση της σκληρότητας ενός υλικού είναι πολύ σημαντική. Ωστόσο, η σκληρότητα δεν είναι τόσο εύκολο να προσδιοριστεί. Έτσι, η σκληρότητα μπορεί να μετρηθεί με διαφορετικό τρόπο, ανάλογα με το πλαίσιο και τη δυνατότητα εφαρμογής.

Κλίμακα σκληρότητας Mohs

Μία από τις πιο συχνά χρησιμοποιούμενες κλίμακες σκληρότητας είναι η κλίμακα σκληρότητας Mohs, που σχεδιάστηκε από έναν Γερμανό ορυκτολόγο Friedrich Mohs τον δέκατο ένατο αιώνα. Σε αυτήν την κλίμακα, η σκληρότητα είναι ένα μέτρο αντίστασης που παρουσιάζεται από ένα δεδομένο υλικό όταν γρατσουνίζεται με ένα άλλο. Η κλίμακα σκληρότητας Mohs κυμαίνεται από 0 έως 10, με το 10 να υποδηλώνει το σκληρότερο (που επηρεάζεται λιγότερο από γρατσουνιές) και το 0 να είναι το λιγότερο σκληρό.

Κλίμακα Mohs της σκληρότητας ορυκτών (Φωτογραφία :Andriy Kananovych/Shutterstock)

Το Diamond σημείωσε τέλειο 10 σε αυτήν την κλίμακα, υποδεικνύοντας ξεκάθαρα ότι είναι το πιο σκληρό φυσικό υλικό όταν υποβάλλεται σε γρατσουνιές. Για να καταλάβετε πόσο καλό είναι ένα διαμάντι, σκεφτείτε το ατσάλι, το οποίο είναι γνωστό για τη σκληρότητά του, έχοντας μόνο 4,5 σε αυτήν την κλίμακα!

Τώρα, η μέτρηση της σκληρότητας με τις ανθεκτικές στις γρατσουνιές ικανότητες μιας ουσίας δεν εγκρίθηκε από όλους. Έτσι, οι επιστήμονες άρχισαν να αναζητούν μια εναλλακτική μέθοδο μέτρησης της σκληρότητας. Μια άλλη τεχνική σκληρότητας αναπτύχθηκε στην οποία χρησιμοποιήθηκε μια εσοχή για την εκτίμηση της σκληρότητας.

Δοκιμή σκληρότητας Vickers

Μία από τις πιο διάσημες δοκιμές για τον προσδιορισμό της σκληρότητας με χρήση εσοχής είναι η δοκιμή σκληρότητας Vickers. Σε αυτή τη μέθοδο δοκιμής σκληρότητας, μια εσοχή σε σχήμα πυραμίδας πιέζεται πάνω στο υλικό του οποίου η σκληρότητα πρέπει να αξιολογηθεί. Μια συγκεκριμένη ποσότητα δύναμης εφαρμόζεται για συγκεκριμένο χρόνο στο εν λόγω υλικό. Μετά από αυτή τη δραστηριότητα εσοχής, μετράται ο βαθμός εσοχής στο υλικό. Αυτό γίνεται με τη μέτρηση της επιφάνειας της εσοχής που προκαλείται στο υλικό από το εσοχή. Και εδώ, το διαμάντι βρέθηκε να είναι το σκληρότερο υλικό που υπάρχει στη Γη.

Τι κάνει ένα διαμάντι τόσο σκληρό;

Σε αυτό το σημείο, μπορεί να αναρωτιέστε, τι κάνει ένα διαμάντι τόσο σκληρό; Η απάντηση βρίσκεται στη μοριακή δομή αυτού του γυαλιστερού στοιχείου. Το διαμάντι είναι ένα αλλοτρόπιο άνθρακα, κατασκευασμένο από πέντε άτομα άνθρακα που μοιράζονται ηλεκτρόνια μεταξύ τους σε μια τετραεδρική δομή πλέγματος. Ο ομοιοπολικός δεσμός μεταξύ αυτών των ατόμων άνθρακα είναι εξαιρετικά ισχυρός και πολύ δύσκολο να σπάσει σε θερμοκρασία δωματίου.

Το διαμάντι ως τετραεδρική δομή άνθρακα

Λόγω αυτού του ισχυρού ομοιοπολικού δεσμού, τα διαμάντια δεν έχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια, γεγονός που τα καθιστά φτωχό ηλεκτρικό αγωγό, αλλά εξαιρετικό αγωγό θερμότητας. Στην πραγματικότητα, ένα διαμάντι είναι περίπου πέντε φορές καλύτερο στη θερμική αγωγιμότητα από τον χαλκό. Λόγω της φανταστικής θερμικής αγωγιμότητας τους, τα διαμάντια υπάρχουν συχνά σε ηλεκτρικά μέρη, όπως οι καταβόθρες.

Και το πιο σκληρό υλικό είναι…

Αφού διαβάσετε αυτό, μπορεί να νιώσετε ότι τα διαμάντια είναι ανίκητα, αλλά αυτό δεν συμβαίνει στην πραγματικότητα. Το διαμάντι γίνεται ευάλωτο σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες. Όταν θερμαίνετε ένα διαμάντι πάνω από 800oC, οι χημικές και φυσικές του ιδιότητες δεν παραμένουν πλέον οι ίδιες. Η χαρακτηριστική σκληρότητα ενός διαμαντιού διακυβεύεται. Αρχίζουν να αντιδρούν χημικά με τον σίδηρο, κάτι που κάνει το διαμάντι ανεπιθύμητο για την κατεργασία χάλυβα.

Ως εκ τούτου, οι επιστήμονες και οι ερευνητές αναζητούν εδώ και καιρό ένα εξαιρετικά σκληρό υλικό που να έχει καλύτερη χημική σταθερότητα. Το 2009, ερευνητές που εργάζονταν σε συνεργασία στο Πανεπιστήμιο Jiao Tong της Σαγκάης και στο Πανεπιστήμιο της Νεβάδα ισχυρίστηκαν ότι βρήκαν δύο υλικά που μπορούν να νικήσουν ένα διαμάντι στο δικό του παιχνίδι!

Οι δύο προτεινόμενοι πιθανοί διεκδικητές για τη σκληρότερη ουσία ήταν:το νιτρίδιο του βορίου Wurtzite (w-BN) και ο lonsdaleite.

Νιτρίδιο βορίου Wurtzite (w-BN)

Το νιτρίδιο του βορίου Wurtzite (w-BN) έχει παρόμοια δομή με αυτή ενός διαμαντιού, αλλά αποτελείται από άτομα βορίου και αζώτου, μαζί με άνθρακα. Το w-BN είναι εξαιρετικά σπάνιο και μπορεί να βρεθεί μόνο μετά από ένα συγκεκριμένο είδος ηφαιστειακής έκρηξης. Μια προσομοίωση που διεξήχθη από ερευνητές το 2009 της εξαγωνικής δομής w-BN βρήκε ότι είναι 18% σκληρότερη από τον χάλυβα. Επιπλέον, το w-BN είναι χημικά πιο σταθερό από το διαμάντι σε υψηλές θερμοκρασίες.

Lonsdaleite

Ο Lonsdaleite είναι φτιαγμένος μόνο από άτομα άνθρακα, ακριβώς όπως ένα διαμάντι, αν και με διαφορετική δομή. Και μαντέψτε… το lonsdaleite είναι ακόμα πιο δυνατό από το w-BN! Είναι ενδιαφέρον ότι ο λονσδαλεΐτης είναι μια κοσμική ουσία που λαμβάνεται όταν ένας πλούσιος σε γραφίτη μετεωρίτης προσκρούει στη Γη. Μια προσομοίωση εσοχής έδειξε ότι ο λονσδαλεΐτης είναι 58% ισχυρότερος από το διαμάντι, καθιστώντας τον λονσδαλεΐτη τη σκληρότερη ουσία στη Γη.

Περιμένετε, υπάρχει μια σύλληψη…

Ωστόσο, υπάρχει ένα αδιέξοδο με αυτούς τους ισχυρισμούς του w-BN και του lonsdaleite να είναι ισχυρότεροι από το διαμάντι. Αυτοί οι ισχυρισμοί βασίζονται σε ένα πρόγραμμα προσομοίωσης που εκτελείται σε υπολογιστή και όχι σε φυσική επαλήθευση. Καθώς αυτά τα στοιχεία είναι εξαιρετικά δύσκολο να βρεθούν, δεν έχουν ακόμη δοκιμαστεί φυσικά για να εξακριβωθεί η σκληρότητά τους.

Τούτου λεχθέντος, η προσομοίωσή τους υποδηλώνει ότι αυτά τα σκληρότερα από το διαμάντι τα υλικά έχουν καλή θερμική και χημική σταθερότητα. Εάν μπορούμε να τα παράγουμε συνθετικά σε αρκετά μεγάλες ποσότητες, θα μπορούσαν να αποδειχθούν ότι αλλάζουν το παιχνίδι. Θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως ισχυροί κόφτες τοποθετώντας τους πάνω από άλλα εργαλεία κοπής. Επίσης, η σταθερότητά τους σε υψηλότερες θερμοκρασίες θα τα καθιστούσε χρήσιμα σε διαστημικές αποστολές στην Αφροδίτη ή τον Ερμή, που έχουν εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες.

Κλείσιμο σκέψεις

Λοιπόν, το διαμάντι μπορεί πλασματικά να έχει χάσει το στέμμα του ως το σκληρότερο υλικό, αλλά θα παραμένει πάντα ο βασιλιάς των πολύτιμων λίθων. Επιπλέον, ο ισχυρισμός ότι ο lonsdaleite είναι η πιο σκληρή ουσία δεν έχει ακόμη επιβεβαιωθεί φυσικά, επομένως θα μπορούσαμε να δώσουμε το πλεονέκτημα της αμφιβολίας στα διαμάντια. Μεταφορικά, το διαμάντι δέχεται τρομερή πίεση από τους άλλους ομολόγους του με βάση τον άνθρακα για να διατηρήσει την κατάστασή του. Ευτυχώς, τα διαμάντια μπόρεσαν να σχηματιστούν μόνο επειδή άντεξαν γενναία την ακραία εξωτερική πίεση κάτω από τόνους βράχου, επομένως είναι συνηθισμένα να χειρίζονται την πίεση!