钻石为什么如此坚硬?比金刚石还硬的材料

来源:Derier蒂爵珠宝 发布:2023-07-04

  我们都听说过钻石是地球上最坚硬的矿物。然而,科学已知有一种矿物比它的硬度更高。但是它很难被研究,因为它只存在于陨石中。

  


  矿物的硬度并不是指其触感顽固不化的程度,而是指其抵御外界影响的能力,即能否被划痕。按照莫氏硬度等级,钻石的硬度值为10/10。该值相对容易确定,需要进行一系列实验,用其他矿物划痕该矿物表面,如果留下了典型的痕迹,就意味着被测试的矿物比测试矿物软。莫氏硬度值越高,矿物所能忍受的同类破坏越小。在这种情况下,10表示完全无法被破坏。钻石可以划伤其他钻石,有些合成材料也有这种能力。但在所有矿物中,钻石仍然是绝对的冠军。

  


  钻石为什么如此坚硬?部分原因是因为它们完全由碳组成。原子组成不同矿物的晶格,这些晶格通过化学键保持在一起。这些键主要是离子键和共价键。在前一种情况下,电子从一个原子传递到另一个原子,从而提供了出色的强度。但共价键更为稳定,因为这里的电子是原子共有的。红宝石和蓝宝石的变种——刚玉也可以自豪地使用这两种类型的键。铝原子与氧原子交换电子,同时它们的原子也是通过共价键结合在一起的。因此,刚玉的摩氏硬度达到了九。

  


  由于钻石是由纯碳组成的,因此它内部仅使用共价键。但仅凭这一点无法解释它比红宝石更硬的原因。同样,石墨虽然外观完全不同,但也由同一化学元素组成,但根据莫氏硬度标度,其硬度只有1.5。它太软了,甚至可以用指甲刮伤。这里可以回想一下学校课程中的另一个观点 - 需要考虑矿物晶格的形状。石墨原子形成重叠的二维层。在这些“单元”中,共价键非常牢固,但无限平面几乎不能相互保持稳定。这正是铅笔芯,由这种材料制成,在纸上留下痕迹的原因。

  


  同时,钻石的原子形成了三维立方体结构,每个原子都与四个邻居相连。与石墨不同的是,它能够抵御来自各个方向的压力。如果我们想要寻找更坚硬的材料,就必须寻找由纯碳构成,但结构更加完美的材料。而正是在这个时候,我们提到了一个奇怪的单词“兰斯代尔石”。这种碳的修饰原子形成了六角形的晶格,即与六个相似的原子以共价键相连。而两个额外的节点应该能够给我们更坚硬的材料。

  


  不幸的是,迄今为止无法在实践中证实这个理论。尽管隆斯代尔石在上个世纪60年代就已被描述,但无法获得足够数量的它。这种矿物质存在于自然界中,但不在地球上。它的微小量仅在极为罕见的陨石中被发现,这些陨石被称为尿石。它们富含碳,并且据一些专家认为,它们是在太阳系诞生的黄道系星系行星的毁灭结果。在这些“外来者”内部,可以找到石墨和钻石,但在一些样品中也发现了隆斯代尔石。有时甚至可以在这些矿物之间看到过渡区。这使人们认为,某种外部影响改变了碳原子的结构,因此其中一些形成了钻石,另一些形成了隆斯代尔石。

  


  科学家们正在继续研究可能导致这种转变的原因,并建立必要的条件。如果他们成功实现所期望的结果,科学很可能会获得一种比钻石更硬的矿物生产技术。目前,加快降压的情景得到了最多的支持者,因为尿素中也含有在地球深处存在的矿物质。显然,它们都是在巨大的压力下形成的,但后来,当矮行星解体成碎片时,其物质受到了宇宙真空的影响。

  


  其中一种假设表明,由于压力和温度的急剧变化,碳原子之间的联系可能被转移,转化为钻石的立方晶格,随后才形成兰德赛石。然而,根据2022年发表的研究结果,作者认为实际情况恰恰相反。在极强的外部作用下,尿素中碳原子形成了兰德赛石,而绝大部分兰德赛石随着残留行星的冷却逐渐变成了钻石。总之,为了制造足够量的兰德赛石以检测其硬度,就需要弄清如何重复这个过程。之后就需要避免这种碳修饰的快速冷却和其反变成钻石。2021年,一个科学小组声称他们不仅成功制造出兰德赛石,而且还通过实验证明了它相对于钻石的硬度更大。

  然而,他们使用的方法有些奇特。制造出的材料在“测试”结束后立即崩溃了。现在需要等待研究人员排除他们技术中发现的问题,并重复成功,将合成的兰德赛石展示给震惊的公众。如果它真的比钻石更硬,那么这项研究的作者将成为非常富有的人。如今,钻石被广泛应用于许多工业领域,而更坚硬的材料将会使我们获得更有效和耐用的工具,这当然是一件非常好的事情。

  


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