что сильнее железо или алмаз
Что сильнее железо или алмаз
П. П. Шамаев, А. С. Григорьева, В. В. Ботвин
Алмазов в мире добывают в год немногим более десяти тонн. Из них до 25% превращаются в ювелирные изделия, а остальные благодаря высокой твердости применяются в промышленности. Из алмазов делают режущий инструмент, фильеры для волочения, а в последнее время из них изготовляют датчики приборов, теплоотводы, детали оптоэлектронных устройств. Все это требует совершенствования существующих и разработки новых методов обработки алмазов.
Еще в 1975 году в лаборатории экспериментальной минералогии Института геологии Якутского филиала Сибирского отделения АН СССР исследовали взаимодействие при высоких температурах алмазов с железом, никелем, кобальтом и металлами платиновой группы в среде различных газов. В ходе некоторых экспериментов в алмазе появлялись углубления, соответствующие по форме металлической пластинке, лежащей на нем. Так появился новый метод обработки алмазов, названный термохимическим.
С помощью термохимического метода можно также шлифовать алмазы, распиливать их, причем качество поверхности получается выше, чем при обработке абразивами, благодаря малым силам, действующим на кристалл со стороны инструмента. Механическую обработку можно вести только по «мягким» направлениям, а новый метод не требует ориентации кристалла. Поддаются термохимической обработке и поликристаллические алмазные спеки, с которыми по-другому не справиться, поскольку в них обязательно находятся кристаллы, обращенные к режущему инструменту «твердым» направлением.
На основе изобретения якутских ученых была разработана технология прецизионной заточки алмазных лезвий для Московского НИИ микрохирургии глаза С. Н. Федорова, которые офтальмолог прежде приобретал в США, где их изготовляли на лазерных установках.
Все более широко применяется термохимическая обработка алмазов в производстве бриллиантов, причем в этой области удалось достичь уникальных результатов, например получать инкрустации из драгоценных металлов на черных бриллиантах или гравировать на бриллиантах рисунок по желанию заказчика.
П. П. Шамаев, А. С. Григорьева, В. В. Ботвин. О термохимических методах обработки алмазов с новых позиций. «Наука и техника в Якутии» № 1, 2002, стр. 27-29.
Мирный, Кимбрик и алмазы
Это письмо-образец мы составили, опираясь на конспекты Ларисы ЛЕУШИНОЙ, воспитателя детского сада № 13 «Карлсон» г. Мирный, по теме «Как появился алмаз».
Это письмо-образец мы составили, опираясь на конспекты Ларисы ЛЕУШИНОЙ, воспитателя детского сада № 13 «Карлсон» г. Мирный, по теме «Как появился алмаз».Вопросы, которые могут быть интересны детям
Что общего между простым карандашом и бриллиантом?
Что «сильнее» — железо или алмаз?
Откуда берутся алмазы?
Хотите узнать ответы на эти вопросы?
Тогда познакомьтесь с нашим Кимбриком. Кимбрик — это маленький волшебный человечек, похожий на гнома. Он — хранитель алмазов. С давних пор Кимбрик живет глубоко под землей. У него есть специальный молоточек. Обычный молоток все, конечно, видели. Но молоток Кимбрика немножко другой: у него длинная ручка, а рабочая часть («голова») — намного тоньше и с одной стороны заострена. Таким молотком работают геологи, которые разыскивают полезные ископаемые. Острый конец молоточка позволяет отбивать от общей массы отдельные куски породы.
Кимбрик — хранитель алмазов.
Маленький старый Кимбрик ведет счет алмазам и все про них знает. Он одет в зеленовато-голубоватый костюм с металлическими блестками. Точно такого же цвета сам кимберлит. Это Кимбрик рассказал нам, что алмаз ведет свое происхождение от графита.
Вы ведь знаете, что такое графит? Тот материал, из которого делают грифели карандашей. Их все видели. И все знают, что грифели часто ломаются, если на карандаш во время рисования очень сильно нажимать или бросать его на пол. Все потому, что графит — мягкий материал.
Но во время взрыва, от высокой температуры и страшного давления некоторые кусочки графита «переродились» — сжались, стали очень твердыми и прозрачными. То есть превратились в алмазы.
Алмаз — самый сильный камень на земле. Алмазными наконечниками снабжают геологические буры, чтобы бурить скважины в твердых породах. С помощью алмазов машиностроители обрабатывают самые прочные сплавы металлов (из чего понятно, что алмаз сильнее железа), с помощью алмазов режут стекло.
Но алмаз — не просто твердый камень. Он еще и необыкновенно красив. Если алмазы специальным образом обработать, из них получаются дорогие украшения — бриллианты.
Теперь вы сами сможете ответить на вопрос, что общего между бриллиантом и простым карандашом. Они — дальние родственники. Карандашный грифель сделан из графита. Из графита же в свое время «родился» на свет алмаз. А из обработанного алмаза получается бриллиант.
Самые первые алмазы люди добыли в Африке, недалеко от городка под названием Кимберлей. Поэтому слои породы, где обнаруживаются эти драгоценные камни, и назвали кимберлитом.
Долгое время думали, что алмазы можно отыскать только в жарких странах.
Каково же было всеобщее удивление, когда алмазные залежи обнаружились в нашем холодном крае — в Якутии.
Самый первый карьер по добыче алмазов был открыт в городе под названием Мирный. Это город, в котором мы живем. Правда, сначала никакого города здесь не было. Был маленький поселок, в котором поселились рабочие и ученые, занятые на обслуживании карьера. Это теперь он вырос в большой и красивый город.
А свое название наш Мирный получил вот как. Дыра, которую когда-то проделали расплавленные породы в земле, напоминала узкую трубку. Ее так и стали называть — «трубка». Геологам, обнаружившим алмазное месторождение, пришло на память выражение «трубка мира». Такую трубку раскуривали индейские вожди, когда собирались у священного костра и договаривались о прекращении войны, о заключении мира и союза.
В честь «трубки мира» город и назвали Мирным.
Мирный — наша родина. А еще здесь живет маленький старый Кимбрик, который считает алмазы.
Все о твердости алмаза: если ли что-то прочнее и можно ли разбить бриллиант молотком
Бриллиантами люди интересовались еще с давних времен. И не странно, так как эти камни сражают своей красотой наповал: от прекрасных самоцветов нельзя отвести взгляд и хочется их носить просто постоянно.
Но помимо внешних качеств, многие обращают внимание на твердость алмаза. Эти камни обладают несравненными по качеству характеристиками, за счет чего минералы применяются во многих сферах жизни человека, начиная от ювелирного дела и заканчивая изготовлением космических кораблей.
Сегодня мы разберемся с тем, какой твердостью обладает алмаз, и бывают ли вещества или материалы тверже.
Почему алмаз имеет большую прочность чем графит
Для того чтобы разобраться в вопросе, следует копнуть немного глубже.
Алмаз – это минерал, кубической аллотропной формы углерода. При нормальных условиях материал метастабилен, другими словами, он может существовать неограниченно долго в своей твердой прозрачной форме. В вакууме или в инертном газе при повышенных температурах алмаз постепенно переходит в графит.
Алмаз считается самым твердым минералом по эталонной шкале Мооса.
Итак, из определения следует, что по своей сути алмаз – это видоизмененный при определенных условиях графит. Что же происходит при воздействии вакуума или инертных газов на камень? Книги говорят, что возникают особые процессы в кристаллической решетке.
Тут надо немного углубиться в химию школьного курса. Четыре валентных электрона позволяют углероду, составной частью обоих описываемых материалов, образовывать связи с четырьмя другими атомами углерода. Это могут быть:
Если связи соединяют атомы в монослои, по которым свободно движутся электроны слабых связей, слегка скрепляя эти слои между собой, то получается графит. Причем его свободные электроны поглощают свет любой частоты, делая графит непрозрачным.
В решетке алмаза электроны зафиксированы в одинаковых прочных связях. Поэтому алмаз получается твердым прозрачным диэлектриком.
При образовании прочных связей получается алмаз. Электроны камня поглощают свет только на частотах возбуждения межатомных связей. Эти частоты не попадают в видимую часть спектра, поэтому алмаз прозрачен.
Можно ли бриллиант разбить молотком
Существует вопрос: чем можно сломать алмаз и можно ли это сделать в принципе. Тут ответ никак не может быть совершенно однозначным, так как никто не знает, о каком «убиваемом» алмазе идет речь – например, о малюсеньком камне или огромной глыбе, и каким молоточком размахивают.
Давайте рассмотрим разные случаи. Например, у вас на столе лежит малюсенький хрупкий камешек, на который вы готовите покушение. Конечно, если вы со всех сил ударите по нему молоточком, то красавец расколется. Это произойдет по той причине, что у ограненного камня есть острые ребра, которые и являются самыми слабыми местами.
Однако и это не все. Например, вы добыли из породы один огромный неправильной формы камень. Что можно с ним сделать? Правильно, огранить. Как это делается? Огранка самых дорогих и ценных минералов до сих пор производится частично вручную. Красавца отдают мастеру, который должен полностью исследовать самородок, отделить в нем пустоты, помутнения и разбить на отдельные части. Так вот, для анализа формы может уйти до нескольких лет работы. Дело в том, что если правильно ударить огромный алмаз, он красиво раскалывается на более мелкие идеальные по твердости и прочности собратья. Раз стукнул – и алмаз рассыпался.
Вот такие вот выводы. Поэтому если вы решили махать молотком над прекрасным камнем, то спешим вас предостеречь: они могут рассыпаться.
Можно ли бриллиант поцарапать
Если вы хотите отличить царапания бриллиант от других материалов при помощи метода, то это дело действенное, однако может привести к печальному результату.
Поясним все на простом примере. Представьте себе, что вы взяли в одну руку острое стекло, а в другую пластик. Проведите стеклом по пластику. Все мы понимаем, что след останется. Почему? Да потому что стекло по твердости намного выше обычной пластмассы. Теперь проведем опыт наоборот. Вы можете царапать пластиком стекло до изнеможения, но толку не будет, так как этот материал гораздо менее твердый.
Такая же самая ситуация и с бриллиантами. Если у вас в руке обычный качественный алмаз, то чем бы вы его не царапали, следы не должны остаться. Так как прочность алмаза считается самой высокой из всех известных видов драгоценных и поделочных камней. А вот настоящий бриллиант поцарапает все что угодно.
Теперь вернемся к вашей ситуации. Например, вместо алмаза вам подсунули в украшении хрусталь или фианит. Умные книги говорят, что твердость этих красавцев находится в диапазоне от 7,0 до 9,0. Если вы поцарапаете минерал бриллиантом, то след обязательно останется. Вы будете расстроены, и камень будет испорчен. Поэтому призываем вас не проходить камни сортировкой «варварскими» методами. Лучше обратиться к специалистам.
Сравниваем. Что крепче, алмаз или.
Теперь давайте немного образуемся и выясним, а существуют ли ювелирные и другие камни тверже алмаза?
. корунд?
Корунд – это минерал, состоящий из оксид алюминия (III), кристаллического глинозема. Самородок имеет огромное количество разновидностей, о которых было известно еще в Иерусалиме и Древнем Египте, откуда корунды попали в Индию, где и приобрели настоящую славу и свору поклонников.
Алмаз тверже корунда по шкале Мооса, так как по эта характеристика равна 9-ке.
. гранит?
Что такое гранитный камень, знает, наверно, практически любой более или менее образованный человек. Также многие спокойно представляют, что делают из гранита. Данный материал, известный людям с незапамятных времен, в наше время используется повсеместно: для изготовления столешниц, отделки фасадов зданий, создания скульптур и прочее. Одна из самых древних пород, рожденная в земной коре и образованная в виде скал, обладает многими замечательными качествами и свойствами.
Твердость алмаза в баллах принято считать равной 10 или 100, в зависимости от шкалы измерений. 10 – это для системы Мооса, а 100 – для шкалы Роквелла.
Прочность алмаза намного выше чем у гранита. Эта характеристика по Моосу для гранита составляет от 6 до 7 единиц.
. изумруд
Изумруд – это один из самых прекрасных зеленых ювелирных камней. В живой природе очень не часто удается отыскать полностью прозрачный экземпляр. Но такие находки ценятся достаточно высоко. В основном же в этих самоцветах присутствуют трещины, пузырьки и замутненные участки. Цвета изумрудов чаще всего представлены различными оттенками зеленого.
Твердость изумруда по Моосу составляет от 7,5 до 8 единиц. Поэтому если вы захотите алмазом поцарапать изумруд, то вам это удастся.
. железо?
Железо – хорошо обрабатываемый металл, который имеет яркий серебристо-белый цвет. Материал обозначается в химии символом Fe (лат. Ferrum). Железо считается одним из самых распространенных металлов в земной коре.
В чистом виде при нормальных условиях это твердое вещество. Оно обладает ярко выраженным металлическим блеском. Твердость по шкале Мооса равна четырем.
. золото?
Нет человека, который не восторгался бы красотой золота. Ярко-желтый металл стал известен людям несколько тысяч лет. Однако в природе золото многолико. Размер его частиц колеблется от микрон до десятков сантиметров, цвет, из-за примесей, не всегда желтый. Встречается несколько минералов, похожих на золото по внешнему виду. Не зря существует поговорка «не все золото, что блестит». Чтобы успешно находить золото, ориентироваться в его ценности, не путать с похожими минералами, нужно знать свойства золота, где и как оно встречается в природе.
Золото – это чрезмерно мягкий металл. Твердость желтой драгоценности составляет от 2,5…3,0 по 10-балльной шкале твердости (шкале Мооса).
Золото, имеющее твердость 2,5…3,0, не только легко царапается, но и при значительном усилии режется ножом. На нем можно оставить след даже сильно прикусив зубами. «На зуб» раньше пробовали золотые монеты. На поддельных монетах из меди сделать отметину зубами невозможно, а на золотой монете имея крепкие зубы отметку поставить можно. Проверка на твердость – это важный тест для отличия золота от похожих по цвету металлов или минералов.
. титан?
Титан – это химический элемент с порядковым номером таблицы 22. Или еще материал известен как легкий серебристо-белый металл. Титан сочетает в себе самые необычные характеристики: легкость, прочность, высокую коррозионную стойкость, низкий коэффициент теплового расширения, возможность работы в широком диапазоне температур. О как.
Титан значительно тверже алюминия и по этой характеристике приближается к некоторым термически обработанным легированным сталям. Твердость алмаза по шкале Мооса составляет 10, тогда как у титана этот показатель равен приблизительно 6.
. обсидиан?
Обсидиан известен со времен древнего человека. Орудия из вулканического стекла, как еще называют эту магматическую горную породу, ученые находят при раскопках на бывших стоянках древних поселений. Все дело в том, что у этого камня очень острый скол. Древние поселения майя делали из обсидиана копья, колья, а также различные украшения.
Твердость алмаза по Роквеллу составляет 100 единиц.
Современные ученые по историческим артефактам из обсидиана изучают миграционные пути и контакты древних поселений.
Обсидиан – это минерал, который образуется в результате быстрого охлаждения магматической породы. Это знакомый всем из школьного курса перлит, только с гораздо меньшим содержанием воды – всего 1%. Твердость камня составляет от 5 до 6 единиц, что приблизительно вполовину меньше, чем у алмаза.
. базальт?
Базальт – магматическая порода. Окраска темная: черная или темно-серая. Структура: плотное строение. Твердость по шкале Мооса от 5 до 7.
Образование базальтов происходит при излиянии и застывании лавы основного состава, как на поверхности континентов, так и в глубинах океанов. Базальты являются практически самой распространенной горной магматической породой на нашей планете, основная масса которых образуется именно в океанах, в срединно-океанических хребтах, формируя основание тектонических океанических плит земной коры.
Базальтовые заготовки практически не подвергаются вторичным процессам обработки после собственно образования, являясь типичной вулканической породой.
Что тверже и крепче алмаза: самое ли твердое вещество
Многие сегодня задаются вопросом: алмаз самое твердое вещество или нет и какое вещество близко по твердости алмазу? Ученые сегодня отмечают, что бриллиант уже давно не является самым твердым материалом. Натуральные алмазы имеют твердость около 150 гигапаскалей, но первое место в перечне самых твердых занят ультратвердый фуллерит с показателем от 150 до 300 ГПа.
Ультратвердыми минералами в науке называют все, что тверже алмаза, материалы мягче бриллианта, но тверже нитрида бора обозначают как сверхтвердые.
Фуллериты – это материалы, состоящие из фуллеренов, молекул углерода в виде сфер, образованных 60 атомами. Эта штука была синтезирована более двадцати лет назад, и за его открытие вручена Нобелевская премия.
Углеродные сферы в составе фуллерита могут быть по-разному упакованы, и твердость материала очень сильно зависит от того, как именно они связаны между собой.
Достоверных, и проверенных методов, позволяющих получать это перспективное вещество в промышленных масштабах, пока не существует. С практической точки зрения сверхтвердая форма углерода интересна в первую очередь специалистам по обработке металлов и других материалов, тут все просто, чем тверже режущий инструмент, тем дольше он служит и тем качественнее можно обрабатывать детали.
Т.е. получается, что уже алмаз не самый твердый из всех минералов. Да, наш прелестный камень уже обскакали.
Невозможность синтеза фуллерита сегодня в больших количествах обусловлена очень высоким давлением, которое необходимо применить для возбуждения реакции возникновения вещества. Образование трехмерного полимера начинается при давлениях от 13 ГПа или 130 тысяч атмосфер, и создать такое колоссальное давление в большом объеме современная техника пока не позволяет.
Итак, надеемся, что у вас теперь хватит образованности в сфере алмазов. Из сказанного очевидно, что алмаз – это эталон твердости, с которым сравнивают практически все материалы, начиная от камней и заканчивая такими металлами, как титан или железо. Независимо от того, что уже найдены материалы тверже алмазов, все равно этот камень на века стал частью науки и красоты.
Существуют ли материалы тверже алмаза
До сих пор думаете, что прочнее алмаза нет ни одного материала? Вот сразу два вещества, кристаллическая решетка которых способна выдерживать в 1,5 раза большие давления, чем алмаз
Кубическая гранецентрированная решетка алмаза, состоящая из атомов углерода, выдерживает огромные давления в испытании на вдавливание сферического пуансона. Ученые подсчитали, что для деформирования алмаза в таком испытании требуется приложить давление в 97 гигапаскалей.
Однако, проведенные в 2009 году исследования показали, что нитрид бора с кристаллической решеткой типа вюрцит (w-BN) и лондсдейлит — одна из аллотропных модификаций углерода — превосходят алмаз в прочности в тесте на вдавливание. Чтобы деформироваать эти материалы, исследователям потребовалось приложить давление соответственно 114 и 152 гигапаскаля.
При больших давлениях прочность w-BN увеличивается на 78% по сравнению с состоянием до приложения давления. Именно благодаря этому свойству деформационного упрочнения, нитрид бора с решеткой вюрцита обладает такой высокой прочностью. Такой же механизм упрочнения характерен и для лондсдейлита, но из-за отсутствия разности в размерах атомов в его структуре прочность такого материала получается даже выше, чем у нитрида бора.
Такие механизмы упрочнения ученые используют для увеличения физических характеристик конструкционных материалов. В отличие от алмаза, сверхтвердые материалы на основе нитрида бора термически стабильны и при высоких температурах не взаимодействуют с кислородом, поэтому область их применения представляется более широкой.
Кстати, у нас есть канал в Telegram, где можно почитать о самых свежих и интересных новостях из мира науки и техники
Какой самый твердый материал на Земле?
Алмаз оценивается по шкале твердости Мооса на 10 баллов, что говорит о том, что это самый твердый природный материал, когда он подвергается царапинам. Однако, по прогнозам, лонсдейлит, вещество, обнаруженное в метеоритах, будет еще более твердым, чем алмаз.
Ну, почти… ученые обнаружили потенциального соперника, который, как полагают, даже тверже, чем алмаз.
Самое твердое вещество природного происхождения на нашей планете
Когда дело доходит до природных твердых веществ, алмаз является явным победителем. Благодаря своей компактной структуре его очень трудно превзойти по твердости. Теперь возникает вопрос… как мы измеряем твердость?
Измерение твердости
В материаловедении очень важна оценка твердости материала. Однако определить твердость не так-то просто. Таким образом, твердость можно измерить по-разному, в зависимости от контекста и применимости.
Шкала твердости Мооса
Шкала твердости минералов Мооса.
Алмаз получил 10 баллов по этой шкале, что ясно указывает на то, что это самый твердый натуральный материал, когда его подвергают царапинам. Чтобы понять, насколько хорош алмаз, рассмотрим сталь, которая известна своей твердостью и имеет только 4,5 балла по этой шкале!
Так вот, измерение твердости по стойкости вещества к царапинам одобрялось далеко не всеми. Таким образом, ученые начали искать альтернативный метод измерения твердости. Была разработана еще одна методика определения твердости, в которой для оценки твердости использовался индентор.
Тест твердости по Виккерсу
Что делает бриллиант таким твердым?
Алмаз как тетраэдрическая структура углерода.
Из-за этой прочной ковалентной связи у алмазов нет свободных электронов, что делает их плохим проводником электричества, но отличным проводником тепла. Фактически, алмаз примерно в пять раз лучше по теплопроводности, чем медь. Благодаря своей фантастической теплопроводности алмазы часто присутствуют в электрических деталях, например, в радиаторах.
Алмазы не непобедимы.
Прочитав это, вы можете почувствовать, что бриллианты непобедимы, но на самом деле это не так. Алмаз становится уязвимым при очень высоких температурах. Когда вы нагреваете алмаз выше 800 °C, его химические и физические свойства больше не остаются неизменными. Нарушение характерной прочности алмаза. Они начинают химически реагировать с железом, что делает алмаз нежелательным для обработки стали. Характерная твердость алмаза нарушается. Они начинают химически реагировать с железом, что делает алмаз нежелательным для обработки стали.
Поэтому ученые и исследователи давно ищут сверхтвердый материал, обладающий лучшей химической стабильностью. В 2009 году исследователи, работавшие в сотрудничестве из Шанхайского университета Цзяо Тонг и Университета Невады, заявили, что нашли два материала, которые могут победить алмаз в его собственной игре!
Две предложенные потенциальные претендентки на самое твёрдое вещество были: Нитрид бора вюрцита (w-BN) и Лонсдейлит.
Вюрцит нитрид бора (w-BN)
Вюрцит нитрид бора (w-BN) имеет структуру, аналогичную структуре алмаза, но он состоит из атомов бора и азота, а также углерода. Вюрцит нитрид бора чрезвычайно редок и может быть обнаружен только после определенного типа извержения вулкана. Проведенное исследователями в 2009 году моделирование гексагональной структуры w-BN показало, что она на 18% тверже стали. Кроме того, w-BN химически более стабилен, чем алмаз при высоких температурах.
Лонсдейлит
Однако в этих утверждениях о том, что w-BN и лонсдейлит сильнее алмаза, есть загвоздка. Эти утверждения основаны на программе моделирования, запущенной на компьютере, а не на физической проверке. Поскольку эти элементы чрезвычайно трудно найти, они еще не прошли физических испытаний для определения их твердости.
Тем не менее их моделирование предполагает, что эти более твердые, чем алмаз, материалы обладают хорошей термической и химической стабильностью; если мы сможем синтетически производить их в достаточно больших количествах, они могут оказаться переломными. Их можно было использовать как мощные фрезы, помещая их поверх других режущих инструментов. Кроме того, их стабильность при более высоких температурах сделала бы их полезными в космических полетах к Венере или Меркурию, которые имеют обжигающе высокие температуры.
Что ж, алмаз может теоретически потерять свою корону самого твердого материала, но он всегда останется королем драгоценных камней. Более того, утверждение о том, что лонсдейлит является самым твердым веществом, еще не подтверждено физически.