Diament to najtwardszy minerał w skali Mohsa (stopień 10), ale nie najtwardszy materiał w ogóle – lonsdaleit (heksagonalny diament) i azotek boru o strukturze wurcytu przewyższają go wytrzymałością.
Większość ludzi słyszała, że diament jest najtwardszą substancją na świecie. To prawda – ale tylko w węższym sensie: wśród minerałów naturalnie występujących w przyrodzie. Nauka zdążyła już wytworzyć i odkryć materiały, które diament pokonują. Poniżej wyjaśniamy, czym jest twardość, jak się ją mierzy i które substancje faktycznie zajmują szczyt tej listy.
Co to jest twardość materiału?
Twardość materiału to odporność ciała stałego na zarysowanie i wgniecenie pod wpływem sił skupionych. W praktyce oznacza to, że twardszy materiał pozostawi ślad na miększym, ale nie odwrotnie.
Najważniejszym narzędziem do porządkowania tej cechy jest skala Mohsa, opracowana w 1812 roku przez Friedricha Mohsa. To dziesięciostopniowa skala minerałów wzorcowych: na jej początku stoi talk (1), a na końcu diament (10). Każdy minerał na wyższym stopniu zarysowuje te z niższych stopni.
Skala Mohsa nie jest liniowa. Różnica między diamentem (10) a korundem (9) jest w praktyce wielokrotnie większa niż różnica między kolejnymi stopniami w dolnej części skali.
Jak mierzy się twardość materiału?
Istnieją trzy podstawowe metody pomiaru twardości, różniące się zasadą działania i zastosowaniem:
- Metoda zarysowania (skala Mohsa) – polega na próbie zarysowania jednego materiału drugim; stosowana głównie w mineralogii
- Metoda wgniatania (skale Rockwella, Vickersa, Knoopa, Brinella) – wgłębnik o określonej geometrii jest wciskany w powierzchnię materiału pod zadaną siłą; wynik to głębokość lub pole odcisku
- Metoda Leeba (odbojowa) – mierzy utratę energii przy odbiciu się bijaka od powierzchni; używana głównie do pomiaru twardości gotowych elementów bez ich niszczenia
Do pomiarów używa się twardościomierza (metody Rockwella i Vickersa), skleroskopu (metoda zarysowania) oraz durometru (metoda Leeba). Skale Vickersa i Knoopa sprawdzają się przy bardzo twardych lub cienkich materiałach, takich jak powłoki i warstwy narzędziowe.
Najtwardsze minerały według skali Mohsa
Skala Mohsa porządkuje minerały od najmiększych do najtwardszych. Poniżej zestawienie najważniejszych stopni, od szczytu w dół:
| Twardość (Mohs) | Minerał | Przykład testu |
|---|---|---|
| 10 | Diament | Rysuje wszystkie inne minerały |
| 9 | Korund (szafir, rubin) | Nie da się zarysować stalą narzędziową |
| 8 | Topaz | Nie da się zarysować stalą narzędziową |
| 7 | Kwarc | Rysuje szkło, nie da się zarysować nożem |
| 2 | Gips | Można zarysować paznokciem |
| 1 | Talk | Zarysowuje się paznokciem bez wysiłku |
Minerały powyżej 7 stopnia nie dają się zarysować stalą narzędziową ani zwykłym nożem. Diament zarysuje każdy z nich, ale żaden z nich nie pozostawi śladu na diamencie.
Czy diament jest najtwardszym materiałem?
Diament jest najtwardszym minerałem naturalnie występującym w przyrodzie, ale nie najtwardszym materiałem w ogóle. Nauka zna już dwie substancje, które go przewyższają.
Pierwsza z nich to lonsdaleit, nazywany też heksagonalnym diamentem. Ma taką samą strukturę chemiczną co diament (czysty węgiel), ale atomy ułożone są w siatce heksagonalnej zamiast kubicznej. Dzięki temu jest wytrzymalszy od diamentu o około 58%. Lonsdaleit powstaje naturalnie podczas uderzeń meteorytów, ale można go również wytworzyć w laboratorium.
Druga substancja to azotek boru o strukturze wurcytu (borazon). Jego kryształowa siatka jest podobna do diamentu, ale zbudowana z atomów boru i azotu zamiast węgla. Borazon zachowuje twardość nawet w bardzo wysokich temperaturach i jest twardszy od diamentu w warunkach silnego nacisku.
Zarówno lonsdaleit, jak i azotek boru o strukturze wurcytu są twardsze od diamentu, ale żaden z nich nie jest dostępny w masowej produkcji. Dla większości zastosowań inżynierskich diament pozostaje materiałem wzorcowym.
Co nauka odkryła ostatnio?
Badacze z Uniwersytetu w Edynburgu wykazali, że pewne azotki węgla mogą być twardsze niż azotek boru. To materiały syntetyczne, wytwarzane w laboratorium przy ekstremalnych ciśnieniach i temperaturach. Na razie pozostają ciekawostką naukową, ale kierunek badań jest jasny: coraz twardsze materiały będą powstawać poprzez manipulację strukturą krystaliczną, nie przez poszukiwanie nowych minerałów.
Warto też rozróżnić twardość od wytrzymałości na pęknięcia. Diament jest bardzo twardy, ale stosunkowo kruchy – silne uderzenie może go rozłupać. Lonsdaleit i borazon łączą wysoką twardość z lepszą odpornością na pękanie, co czyni je interesującymi dla przemysłu narzędziowego i materiałoznawstwa.