Самый твердый минерал в мире

Время на прочтение статьи = 15 минут

Многие люди ошибочно полагают, что алмаз – самый твердый минерал в мире. Сразу следует отметить, что это не так: существует множество минералов, которые гораздо тверже алмаза. Большинство из них имеют уникальные физические свойства, прочность некоторых минералов из списка лидеров превосходит алмаз по прочности на 60 процентов. Сегодня мы поговорим о самых сильных минералах. Читайте следующую статью, и вы узнаете, что крепче алмаза. Также вы сможете ознакомиться с новейшими открытиями российских ученых.

Свойства минералов

Минералы — природные химические соединения или само­родные элементы, встречающиеся в земной коре. Из минералов состоят горные породы (грунты) и почвы, непосредственно находя­щиеся у нас под ногами. Распространение минералов крайне не­равномерно. Известно около 3000 минералов, широкое распростра­нение среди них имеет всего около 50. Эти минералы названы по­родообразующими. Если рассматривать отдельные геологические провинции, например, центральную часть Русской равнины, то по­родообразующих минералов на поверхности земли здесь еще меньше — около 20.

Минералы__
Минералы — природные химические соединения или само­родные элементы, встречающиеся в земной коре

В целом химических соединений значительно больше, чем ми­нералов, но они в большинстве представляют собой вещества, по­лучаемые искусственно. В последнее время минералами стали на­зывать дополнительно еще два класса веществ:

  • то, что раньше было принято называть минеральными веще­ствами, — неорганические соединения, присутствующие в пи­щевых продуктах, лекарствах, косметике;
  • компоненты, образующиеся в процессе изготовления строи­тельных материалов, — кирпича, бетона, керамики и т.д.

Минералы бывают в основном твердыми, значительно реже жидкими (подземные воды) и газообразными (радон, метан). Среди твердых минералов преобладают кристаллические, аморфные и коллоидные (встречаются реже). По внешнему виду минералы очень разнообразны и обладают большим количеством особен­ностей. Одно и то же сочетание химических элементов может крис­таллизоваться в различные структуры и образовывать различные минералы — это явление называется полиморфизмом. Например, модификации углерода (С) дают графит и алмаз; сульфид железа (FS2) образует два минерала — пирит и марказит, карбонат кальция СаС03 — минералы кальцит и арагонит.

Минералы бывают изотропными и анизотропными: изотропные одинаковы по свойствам во всех направлениях, а анизотропные различны в непараллельных направлениях. По происхождению минералы принято подразделять на эндо­генные (глубинные) и экзогенные (образовавшиеся на поверх­ности; к ним же относятся минералы, образовавшиеся на дне моря).

Многие минералы могут иметь как эндогенное, так и экзогенное происхождение. С фактором происхождения не следует объединять фактор присутствия минерала в породе — многие эндогенные ми­нералы далее слагают осадочные (экзогенные) породы или присут­ствуют в них (например, кварц, имеющий магматическое или мета­морфическое происхождение, образует пески или песчаные и пы­леватые фракции и является существенной составной частью осадочных глинистых пород).

Твердость минералов

ТВЁРДОСТЬ МИНЕРАЛОВ (а. mineral hardness; н. Mineralienfestigkeit, Mineralienharte; ф. durete des mineraux; и. dureza de minerales, firmeza de minerales) — сопротивление минерала внешнему механическому воздействию другого более твёрдого тела. Обусловлена главным образом прочностью кристаллической решётки (т.е. типом структуры, природой и силой химические связи, размером и зарядом частиц, межатомными расстояниями и др.) и её механическими параметрами (упругостью, пластичностью, хрупкостью, наличием и плотностью различных видов дислокаций).

У кристаллов большинства минералов (кроме метамиктных) имеет место анизотропия твёрдости. Гидратация и переход в метамиктное состояние понижают твердость минералов.

В зависимости от метода испытания различают твёрдости царапания, вдавливания, шлифования. Наиболее древним является способ царапания эталонными минералами Мооса шкалы, более точное определение твердости минералов царапанием производится с помощью специальных приборов — склерометров.

С 40-х гг. в СССР и за рубежом осуществляется количественное определение твёрдости (микротвёрдости) металлов, сплавов и других твёрдых веществ методом статического вдавливания алмазной пирамиды Виккерса.

Твердость минералов
Твердость минералов

В 1966 Комиссия по рудной микроскопии при Международной минералогической ассоциации (ММА) признала этот метод (наряду с изучением спектров отражения) основным при диагностике минералов (в аншлифах). Сущность метода: отпечаток на полированной поверхности образца или грани кристалла измеряют под микроскопом.

Твёрдость вдавливания (кг/мм2) вычисляют как отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка. Метод даёт возможность определять твёрдость микроскопически малых выделений диаметром 10-30 мкм, очень чувствителен, имеет высокое разрешение и практически неограниченную сферу применения.

В минералогии он служит для уточнения диагностики минералов, выделения их разновидностей; используется при изучении типоморфизма минералов, с целью выявления зависимостей между твердостью минерала и химическим составом минерала; метод позволяет изучать анизотропию твёрдости природных и синтетических монокристаллов, разбраковывать цветные и поделочные камни и др. В СССР для определения твердости минералов методом вдавливания применяется главным образом микро-твёрдомер ПМТ-3 с набором грузов от 2 до 200-500 г.

Самые твердые материалы на Земле

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.

Всем известно, что на настоящий момент алмаз является эталоном твёрдости, т.е. при определении твёрдости материала за основу берется показатель твёрдости алмаза. В нашей статье мы рассмотрим десять самых твёрдых материалов в мире и посмотрим насколько они тверды относительно алмаза. Материал считается сверхтвёрдым если его показатели находятся выше 40 ГПа. Нужно учесть, что твёрдость материала может колебаться в зависимости от внешних факторов, в частности от приложенной к нему нагрузки. Итак, представляем десять самых твёрдых материалов в мире.

10. Субоксид бора

Субоксид бора состоит из зёрен имеющих форму выпуклых двадцатигранников. Эти зёрна состоят, в свою очередь, из двадцати кристаллов-многогранников, гранями которого являются четыре треугольника. Субоксид бора имеет повышенную прочность в 45 ГПа.

9. Диборид рения

Диборид рения
Диборид рения очень интересный материал. При малых нагрузках он ведет себя как сверхтвёрдый, имея прочность в 48 ГПа, а при нагрузке его твердость снижается до 22 ГПа

Диборид рения очень интересный материал. При малых нагрузках он ведет себя как сверхтвёрдый, имея прочность в 48 ГПа, а при нагрузке его твердость снижается до 22 ГПа. Этот факт вызывает бурные дискуссии у ученых всего мира относительно того стоит ли считать диборид рения сверхтвёрдым материалом.

8. Борид магния-алюминия

Борид магния-алюминия составляет собой сплав алюминия, магния и бора. Этот материал имеет невероятно низкие показатели трения скольжения. Это уникальное свойство могло бы стать настоящей находкой в производстве разнообразных механизмов, ведь детали из борида магния-алюминия способны работать без смазки. К сожалению, сплав невероятно дорог, что на данный момент закрывает ему дорогу к широкому применению. Твердость борид магния-алюминия — 51 ГПа.

7. Бор-углерод-кремний

Соединение Бор-углерод-кремний обладает невероятной устойчивостью к высочайшим температурам и химическому воздействию. Твердость Бор-углерод-кремния — 70 ГПа.

6. Карбид бора

Карбид бора был открыт еще в 18 веке и начал использоваться почти сразу во многих отраслях промышленности. Его используют при обработке металлов и сплавов, при изготовлении химической посуды, а также в энергетике и электронике. Используется как основное вещество для пластин бронежилетов. Твердость карбида бора составляет 49 ГПа, а добавляя в него аргон в виде ионов, можно увеличить этот показатель до 72 ГПа.

5. Нитрид углерода-бора

Нитрид углерода-бора является одним из представителей достижений современной химии, он был синтезирован сравнительно недавно Твердость нитрид углерода-бора — 76 ГПа.

4. Наноструктурированный кубонит

Наноструктурированный кубонит
Наноструктурированный кубонит

Наноструктурированный кубонит имеет и другие названия: кингсонгит, боразон или эльбор. Материал обладает показателями твёрдости близкими к алмазу и успешно применяется в промышленности при обработке различных металлов и сплавов. Твердость наноструктурированного кубонита — 108 ГПа.

3. Вюртцитный нитрид бора

Структура кристаллов этого вещества имеет особую вюрцитную форму, она то и позволяет быть ему одним из лидеров по твёрдости. При приложении нагрузки связи между атомами в кристаллической решётке перераспределяются и твёрдость материала повышается почти на 75%! Твердость вюрцитного нитрида бора — 114 ГПа.

2. Лонсдейлит

Лонсдейлит по своей структуре очень похож на алмаз, ведь они оба являются аллотропными модификациями углерода. Лонсдейлит был обнаружен в воронке метеорита, одним из компонентов которого являлся графит. По всей видимости от нагрузок, вызванных взрывом метеорите, графит превратился в лонсдейлит. При обнаружении лонсдейлит не продемонстрировал особых чемпионских показателей твёрдости, однако было доказано, что при отсутствии в нём примесей, он будет твёрже алмаза! Доказанный показатель твердости лонсдейлита — до 152 ГПа

1. Фуллерит

Пришло время рассмотреть самое твёрдое вещество в мире — фуллерит. Фуллерит — это кристалл, который состоит из молекул, а не из отдельных атомов.

Благодаря этому фуллерит обладает феноменальной твердостью, он способен легко царапать алмаз, также как сталь царапает пластик! Твердость фуллерита — 310 ГПа.

Мы привели список самых твёрдых материалов в мире на данный момент. Как видим, среди них достаточно веществ твёрже алмаза и ,возможно, нас ждут впереди ещё новые открытия, которые позволят получить материалы с ещё более высокими показателями твёрдости!

Шкала Мооса и твёрдость минералов 

Набор эталонных минералов, которые определяют относительную твёрдость с помощью царапания, называется шкалой Мооса (шкала твердости в минералогии). Эталонами являются 10 минералов, которые располагаются по порядку возрастающей твёрдости. В состав шкалы входят 10 эталонов твёрдости: 1 — тальк; 2 — гипс; 3 — кальцит; 4 — флюорит; 5 — апатит; 6 — ортоклаз; 7 — кварц; 8 — топаз; 9 — корунд; 10 — алмаз.

Минералы, имеющие твердость ниже 7 — мягкие, а те, у которых выше 7 — твердые. В целом твердость у главной массы природных соединений колеблется от 2 до 6. В 1811 году шкалу твердости предложил немецкий минеролог Фридрих Моос.

Шкала Мооса
Набор эталонных минералов, которые определяют относительную твёрдость с помощью царапания, называется шкалой Мооса (шкала твердости в минералогии)

Твёрдостью камня является сопротивление, которое происходит на его поверхности, когда по нему царапают иным камнем или каким-то предметом; твердость заключается в мере связности структуры атомов вещества. В зависимости от того, в каком направлении производится царапание, твёрдость камня изменяется. От остальных минералов кианит отличается большим диапазоном твердости. Изменение его твердости от 5 до 7. В одних направлениях его можно поцарапать ножом, а в других нельзя.

Значению шкалы от 1 до 10 соответствуют десять известных минералов – начиная с талька и заканчивая алмазом. Чтобы определить твердость минерала, выбирают самый твёрдый эталон, который он поцарапает или самый мягкий, который сможет поцарапать определяемый материал. К примеру, если минерал царапает кварц, но не ортоклаз, то он имеет твёрдость в диапазоне от 6 до 7.

Промежуточную степень твёрдости у камня показывают в виде дробей. Так, число 8 1/2, которое относится к хризобериллу, означает, что топаз царапается им почти так же, как его царапает корунд. Гранат имеет твердость более высокую, чем у кварца (7) и немного ниже, чем у берилла (7 1/2), поэтому твердость его обозначают как 7 1/4.

Важно то, что минералы порошковатых, скрытокристаллических и тонкопористых разностей имеют ложную малую твёрдость. Например, у такого минерала как гематит, когда он находится в кристаллах, твердость равна 6, а когда в красной охре, меньше 4.

Люди, обладающие алмазным перстнем в курсе того, что алмаз может легко поцарапать стекло. С помощью алмаза стекло даже режут. Если для царапания стекла использовать другие драгоценные камни, то можно обнаружить, что и они могут царапать его, но не с такой легкостью. Топаз может царапать стекло, но на нем остаются царапины от корунда, который подвергается царапанию самого твердого минерала, которым является алмаз. На ювелирном рынке очень ценят серьги и кольца, сделанные из твердых самоцветов.

Сложности процесса полировки и огранки образцов одного и того же минерала, найденного в разных местах, имеют отличия друг от друга. Говорят, что алмазы из Нового Южного Уэльса и Калимантана имеют значительно большею твердость, чем алмазы с Южной Африки и с других мест, а также и то, что при их огранке бывают трудности. У цейлонских сапфиров твердость больше, чем у рубинов, а у кашмирских сапфиров меньше.

Шкала Мооса предназначается, как грубая сравнительная оценка твёрдости материалов, согласно системе твёрже-мягче. Определяемый материал или царапается эталоном, что значит, что твердость его меньше по шкале Мооса, либо сам царапает эталон, а это значит, что твёрдость его выше. Таким образом, шкала Мооса определяет только относительную твердость.

Кроме шкалы Мооса, существуют так же и другие способы определения твёрдости минералов, но разновидности шкал твёрдости нельзя однозначно соотносить друг с другом. Путем практики принято несколько систем измерения твёрдости, имеющих более точную систему измерения, но ни одна из них не может покрыть весь спектр шкалы Мооса.

Минерал тверже алмаза открыли российские ученые

Занимающиеся исследованиями сибирских метеоритов ученые совершили сенсационное открытие. Они обнаружили внутри «гостей» из космоса самый прочный загадочный минерал.

Насколько известно, самым твердым минералом земного происхождения является алмаз. Однако эта находка превосходит его по этой характеристике, сообщает DailyStar. Геологи нашли загадочный минерал еще два года назад. Они назвали его «уакитит». По словам ученых, находка происходит из космоса.

По словам заведующего Институтом астрономии РАН Бориса Шустова, это распространенное явление, поскольку многие минералы и вещества образуются в космических условиях, и их невозможно найти на Земле.

Сейчас специалисты занимаются сбором данных о новом минерале. Этот процесс довольно сложный, потому что образцы уакитита являются очень маленькими. Исследователи уверяют, минерал желтоватого цвета прозрачен и обладает металлическим блеском. Более того, он гораздо тверже алмаза – самого прочного земного минерала.

Открытие совершили ученые Уральского федерального университета, Новосибирского государственного университета и Геологического института Сибирского отделения РАН. В заявлении Университета говорится, что новый минерал образует кристаллы кубической формы в даубрелите, или округлые зерна в шрейберзите. Размер зерен уакитита менее пяти мкм.

Исследователи из Австралии создали минерал на 60% тверже алмаза

лонсдейлит
Особенностью лонсдейлита является гексагональная кристаллическая решетка, благодаря которой материал становится на 60 % тверже обычных алмазов, обладающих решеткой в форме куба

Группа исследователей из Национального университета Австралии сумела создать редкий тип искусственных алмазов, которые тверже своих природных собратьев. Новый материал представляет собой разновидность лонсдейлита – естественного минерала, который встречается в некоторых метеоритных кратерах по всему миру.

Особенностью лонсдейлита является гексагональная кристаллическая решетка, благодаря которой материал становится на 60 % тверже обычных алмазов, обладающих решеткой в форме куба.

Впервые этот минерал был обнаружен на месте падения метеорита в Каньоне Дьявола в 1967 году, и с тех пор ученые ни раз предпринимали попытки воссоздать его в лаборатории. Однако стандартная технология требовала температуры порядка 1000 °C, что существенно усложняло процесс.

Вместо этого исследователи из Австралии применили так называемую «алмазную наковальню» — устройство, состоящее из двух противолежащих алмазов. С ее помощью они сумели воссоздать сверхвысокое давление, при котором эти минералы формируются в глубине земной коры. При этом для течения процесса понадобилась температура всего 400 °C, что радикально упрощает метод и удешевляет готовый минерал (сравните с 3700 °C, которые использовались в предыдущей технологии).

Наиболее вероятной сферой применения новых сверхтвердых алмазов станет горнодобывающая промышленность.

Источники:

  • http://www.sciencedebate2008.com/most-superhard-materials/
  • https://www.techcult.ru/science/3784-lonsdaleite
  • https://rueconomics.ru/341487-mineral-tverzhe-almaza-otkryli-rossiiskie-uchenye
  • http://www.alto-lab.ru/elements/samye-tverdye-materialy-v-mire/
  • http://www.mining-enc.ru/t/tverdost-mineralov
  • http://nicegem.ru/shkala-moosa.html
  • http://ros-pipe.ru/tekh_info/tekhnicheskie-stati/gidrogeologiya-/gidrogeologiya-i-osnovy-geologii/svoystva-mineralov/

Добавить в закладки
Голосовать ПРОТИВГолосовать ЗА 0
Загрузка...
Добавить комментарий