Твердость и прочность алмаза: основные физические характеристики

Алмаз – минерал, выдающийся во всех отношениях. Как неказистая куколка (алмаз-самородок действительно внешне не представляет ничего особенного), после огранки он превращается в восхитительную бабочку – бриллиант, стоимостью в сотни, тысячи и даже миллионы долларов.

Но не только неземное сияние и фантастическая цена выделяют этот камень среди собратьев. Алмаз – самый твердый из всех минералов, что определяет широчайшую сферу его применения. Не каждому алмазу дано превратиться в бриллиант – этой чести достойны лишь самые чистые и крупные камни.

Но даже мелкий и мутный самородок не будет выброшен за ненадобностью, а найдет применение в часовой или ядерной промышленности, квантовых компьютерах или микроэлектронике, на худой конец – в производстве абразивного, сверлильного и режущего оборудования. Это же Алмаз!

Общая информация об алмазах

Знаете формулу алмаза? Ее может запомнить даже дошкольник, не имеющий понятия о химии. Это просто С, то есть, алмазы представляют собой чистейший углерод (в идеале, разумеется).

Что же должно было произойти, чтобы углерод превратился в алмаз? На этот счет выдвинуто множество гипотез. Самая убедительная из них утверждает, что алмазы образуются на очень большой глубине (свыше 200 км) и под грандиозным давлением – там углерод формирует особую кубическую решетку, присущую алмазам. Во время вулканических процессов кристаллы углерода выносятся ближе к поверхности, где их и обнаруживают алмазодобытчики.

Процесс этот очень небыстрый: возраст алмазов измеряется в сотнях миллионов, а то и миллиардах лет. Так что когда в ходе интенсивной добычи алмазоносные кимберлитовые трубки и иные породы истощатся, запасы этого камня иссякнут ну очень надолго.

Согласно научным данным, некоторые алмазы имеют внеземное происхождение. Они прибыли к нам с метеоритами или попали к нам в результате взрыва сверхновой. Предполагается, что некоторые из них куда старше Солнечной системы!

Алмазов на Земле немало, но лишь мизерная их часть может быть превращена в бриллианты. Самые чистые и крупные алмазы (так называемые «капские») добывают в Африке, а российские запасы этого минерала сосредоточены преимущественно в Якутии.

Среди наиболее выдающихся свойств алмаза следует упомянуть следующие:

• непревзойденную твердость – 10 по шкале Мооса;
• самую высокую среди твердых тел теплопроводность – 900—2300 Вт/(м·К);
• исчезающе низкий коэффициент трения по металлу (в воздушной среде);
• тугоплавкость и устойчивость к воздействию высоких температур;
• устойчивость к воздействию большинства агрессивных кислот и щелочей;
• высокий показатель преломления лучей в сочетании с прозрачностью;
• способность люминесцировать (светиться) в рентгеновских лучах и ультрафиолете.

Алмазы бывают не только белыми, но и окрашенными. Бурая и желтая окраска снижают стоимость бриллианта, голубая, синяя, розовая, красная, зеленая – повышают до заоблачных высот.

Главная характеристика, решающая судьбу необработанного алмаза – это прозрачность («чистая вода»). Именно поэтому черные алмазы (карбонадо) долгое время считались исключительно техническими. Однако изредка попадаются равномерно окрашенные черные алмазы, сохранившие некоторую прозрачность и характерный блеск. Стоят они умопомрачительно дорого.

Как измеряется твердость алмаза 

Даже ребенку известно, что прочность алмаза невероятна (имеется в виду именно его твердость, а не устойчивость к ударам). Она принята за базовую величину по всем шкалам измерения. И это удивительно, ведь ближайшие родственники алмаза, графит и каменный уголь, имеющие тот же элементарный химический состав, не могут похвастаться выдающейся прочностью.

Секрет твердости алмаза кроется в уникальных условиях его образования: высочайших температурах и невероятном давлении. При них атомы углерода образуют уникальную кубическую кристаллическую решетку. Это определяет невероятную твердость конечного вещества, которое может существовать в естественных условиях миллиарды лет!

Непревзойденная твердость позволяет использовать алмаз при производстве оборудования для бурения и сверхточной резки. Перед эталоном не может устоять ни одно вещество!

Шкала Мооса

Первая удачная попытка создать шкалу твердости материалов принадлежит немецкому минералогу Фридриху Моосу. Несмотря на то, что эта система была презентована научному сообществу еще в 1811 году, она продолжает использоваться до сих пор, причем преимущественно в приложении к минералам естественного происхождения (в том числе, и драгоценным камням).

Твердость алмаза в баллах по шкале Мооса равна 10, то есть этот минерал был принят за абсолют: тверже его априори нет ничего. Основа этого теста – царапание. Если на поверхности испытываемого образца остается царапина, то он априори мягче эталона.

Второе место по твердости по классической шкале Мооса удерживают корунды, к которым относятся сапфиры и рубины – 9 баллов. Поцарапать их можно только алмазом!

Однако очень редко встречающийся природный муассанит и его искусственный аналог карборунд (химическая формула SiC) имеет прочность аж в 9,5 баллов по Моосу. Кстати, карборунд зачастую заменяет алмаз как в промышленности, так и при производстве ювелирных изделий. Визуально он практически неотличим от благородного собрата, но стоит на порядок дешевле!

Всем известно, что алмаз имеет большую прочность, чем графит, несмотря на идентичность химического состава. Однако не каждый знает, что они находятся на диаметрально противоположных концах шкалы Мооса. Твердость графита сопоставима с аналогичной характеристикой талька, а это – всего лишь единица!

Система Роквелла

С появлением синтетических материалов и свехтвердых сплавов общепринятая шкала Мооса стала неудобной. Было предложено множество систем, но в металлургической промышленности более всего прижилась шкала Роквелла (точнее, Роквеллов, ибо их было двое, отдаленных родственников с одной фамилией).

Твердость алмаза по Роквеллу не измеряется – он принят за эталон и основной рабочий инструмент. Измерительный станок Роквеллов визуально напоминает швейную машинку, но вместо иглы используется алмазный конус, а ткань заменяет испытуемый материал.

На образец воздействуют алмазным конусом с заданным давлением в течение нескольких секунд, затем оценивают параметры вмятины по литерно-цифровой шкале.

Что тверже алмаза?

Было предпринято множество попыток создать или найти в природе материал, более прочный, нежели алмаз. Пока они не увенчались успехом: обсидан, титан, сверхтвердые сплавы, всевозможные инновационные материалы не могут посостязаться с благородным эталоном. Более того: многие химики и физики и вовсе утверждают, что вещества крепче алмаза (точнее, тверже) существовать не может.

Самая известная и скандальная история связана с веществом под названием лонсдейлит, в химическом и физическом смысле представляющим собой гексагональный алмаз. В 60-х годах минувшего столетия этот минерал был синтезирован искусственно, а чуть позже – в небольших количествах обнаружен в кратерах метеоритов.

В 2009 году группа китайских ученых опубликовала сенсационную работу, в которой утверждалось, что лонсдейлит тверже кубического (известного нам) алмаза более чем вполовину. К сожалению, эти данные оказались мистификацией и не подтвердились даже выкладками в вышеуказанной работе.

Самая удачная попытка создать вещество тверже алмаза была предпринята совсем недавно, в 2021 году. Дуэту американских ученых удалось получить алмазы-гексагоны из графита путем направленных взрывов. Полученные образцы продемонстрировали лучшую звукопроводность, нежели классический кубический алмаз, что теоретически свидетельствует о большей твердости.

К сожалению, проверить теоретические выкладки американских ученых опытным путем пока не удалось. А оскандалившийся лонсдейлит, полученный из графита путем воздействия колоссальным давлением, показывает прочность всего в 7-8 баллов по шкале Мооса. Да и использовать его вряд ли получится: он представляет собой кристаллики, видимые только под микроскопом, а получение этого вещества обходится фантастически дорого.

Существуют и другие вещества, мало уступающие алмазу по твердости: фуллериты, всевозможные соединения бора, карбин и так далее. Они немногим мягче алмаза, но зачастую превосходят его по иным характеристикам: прочности, устойчивости к химическому воздействию и сверхвысоким температурам.

На основе кубического алмаза можно создать более прочное вещество (например, при помощи наноконструирования). Японцам это удалось, только как обрабатывать этот беспрецедентно твердый материал?

Можно ли алмаз поцарапать или разбить молотком?

Исходя из вышесказанного можно сделать вывод: поцарапать бриллиант невозможно. Это дает возможность быстро выявлять грубые подделки из стекла, легко царапающиеся стальной иглой или пилочкой для ногтей. Правда, имитации бриллианта вроде фианита, а тем более, карборунда, таким образом распознать невозможно.

А вот веществ прочнее алмаза предостаточно – да та же сталь! Это значит разбить алмаз вполне реально. Естественно, камень спокойно переживет падение со значительной высоты, да и если наступите на него, ничего критичного не приключится. Но если с силой ударить по алмазу молотком, он треснет, а то рассыплется в мелкую крошку.

Только делать этого не стоит: слишком дорогостоящим выйдет эксперимент, а мир лишится еще одного бриллианта, формировавшегося в течение сотен миллионов лет!