Самые твердые минералы на планете природного и синтетического происхождения

Показатель твёрдости минералов отражает свойство минеральных пород проявлять устойчивость к механическому воздействию при помощи других материалов. Прочность – это устойчивость к давлению, а степень устойчивости к удару – степень хрупкости. В настоящее время существует множество систем и способов, позволяющих оценить относительную и точную твёрдость минерал. Из всех таких систем определения твёрдых минералов самой популярной считается шкала Мооса.

Ф. Моос – немецкий геолог XIX века, известный также как кристаллограф, разработавший и внедривший в геологическую практику специальную шкалу твёрдости минералов. С её помощью он предложил сравнивать минералы по степени твёрдости методом нанесения царапин. Видимые повреждения на поверхности минерального образца, по сути, и есть царапины. Его шкала состоит из 10 основных пунктов, то есть десятка минералов, взятых в качестве эталонов.

В настоящее время этот метод используют в геологии, чтобы определить, насколько твёрдый минерал был обнаружен, а также в металлургии и некоторых других промышленных/хозяйственных отраслях. Наиболее твёрдой минеральной породой, согласно Шкале Мооса, можно считать алмаз, занимающий 10 место и состоящий из простой углеродной основы. Он широко применяется в промышленной, строительной, производственной сфере, а в ювелирной промышленности представлен в виде бриллианта, то есть шлифованного и гранёного алмаза. На самом деле в природе существуют твёрдые минералы, не вошедшие в систему Мооса, но не уступающие и даже превосходящие алмаз по твёрдости и крепости. Предлагаем поговорить о таких минералах и определить, какие образцы считаются самыми твёрдыми минералами на планете.

О природных свойствах минеральных пород

Минералы представляют собой химические самородные элементы или соединения, присутствующие в тех или иных количествах в недрах земной коры. Минеральные соединения входят в состав грунтов, горных пород и почвы. Распределены минералы в природе весьма неравномерно.

В настоящее время общее количество их разновидностей и подвидов составляет свыше 3000 тысяч. Наиболее известными и распространёнными можно назвать лишь 30-50 из них. Это основные образцы, которые получили собственные уникальные названия.

В природе существует намного больше химических минералов, чем самих минералов. А в последнее время к числу минералов относят два типа веществ:

• некоторые компоненты, образованные при производстве строительных материалов, включая керамику, бетон и кирпич;
• соединения неорганической природы, присутствующие в косметике, лекарственных препаратах и пищевой продукции.

В природе минералы преимущественно встречаются в твёрдом виде. Намного реже обнаруживаются минеральные соединения в жидком виде (в составе подземных вод), а также в виде газов (метан и радон). Основную часть твёрдоминеральных веществ составляют кристаллы, а также коллоидные и аморфные соединения.

Внешне все они весьма разнообразны и имеют множество различных, иной раз, уникальных свойств. Примечательно, что одни и те же химические элементы могут кристаллизоваться в разные структурные формации, представляя собой минералы различных типов. Такое явление в геологии принято называть полиморфизмом.

В природе встречаются анизотропные, а также изотропные минералы. Последние имеют одинаковые свойства по всем направлениям. У первых же свойства разнятся в непараллельном направлении. Минеральные породы также различаются по характеру происхождения на экзогенные (образованные на поверхности или морском дне) и эндогенные (зародившиеся в глубинных недрах земной коры).

Характеристика твёрдости минеральных пород

Твёрдость минералов отражает степень сопротивления минерального образца внешним механическим воздействиям со стороны других, в том числе, более твёрдых материалов. Это свойство обусловлено строением и прочностными характеристиками кристаллической решётки, её структурой, прочностью химических связей, природой, а также зарядом и размером частиц.

Также на твёрдость влияют некоторые механические параметры, включая пластичность, упругость, хрупкость, а также плотность, межатомное расстояние и наличие дислокаций. Для кристаллов большей части минеральных пород характерна анизотропия в показателях твёрдости. Переход в метамиктное состояние и гидратация способствуют понижению этого показателя.

В 60-х годах прошлого века Комиссией по микроскопии рудных минералов при ММА методика статического вдавливания алмазной пирамиды стала основной для определения количественного показателя твёрдости различных веществ, включая металлы и минералы.

Весь показатель твёрдости вдавливания, выраженный в кг на мм² вычисляется в виде соотношения площади поверхности отпечатка и нагрузки. Это высокочувствительная методика, имеющая широчайшую сферу применения и максимальную степень точности даже при работе с миниатюрными образцами до 10 мкм.

В современной минералогии его используют для диагностики свойств минералов и выявления зависимости между химическим составом, а также твёрдостью минеральной породы. С помощью этого метода определяется анизотропная твёрдость монокристаллов синтетического и природного происхождения, а также цветных камней и пр.

Углерод и его твёрдые аллотропные модификации

Углерод принято считать наиболее распространённым элементом во вселенной. В природе его круговорот обеспечивается посредством углекислого газа, который поглощают растения при фотосинтезе. На основании углеродных атомов формируются органические вещества. Всевозможные углеродные цепи являются основой жизни на нашей планете.

Если рассматривать физико-химические свойства углерода, то на его внешнем атомарном уровне располагается четыре электрона. За счёт своей уникальной природы он может служить основой для самых разных химических соединений. Поэтому углерод является основой не только органических, но также искусственных образцов.

Углерод имеет аллотропные модификации, сформированные методом гибридизации. Всего известно три типа гибридизации:

• тетраэдрическая;
• диагональная;
• тригональная.

Аллотропами называется совокупность всех модификаций для одного элемента. Так к числу тетраэдрических углеродных аллотропов относят лонсдейлит и алмаз. Тригональных модификаций в природе на порядок больше, и к ним относятся:

• астрален;
• графит;
• наноконусы/трубки;
• фуллерен.
• К числу диагональных гибридных структур можно отнести:
• нанопену;
• уголь;
• нановолокно;
• стеклоуглерод.

У каждой аллотропной модификации присутствуют свои физико-механические свойства. Так, кристаллическая решётка лонсдейлита более разряженная, и по шкале Мооса он занимает 8 позицию. Вместе с тем по показателю преломления он идентичен алмазу.

Самые твёрдые минералы и минеральные соединения природного и синтетического происхождения

Согласно шкале Мооса в качестве эталона самой твёрдой минеральной породы определяется алмаз, занимающий высшую (10) позицию. Его также используют в качестве индентора при определении минеральной твёрдости более мягких образцов методами Роквелла и Виккерса. Однако в природе существуют минеральные породы и природные формации, максимально приближенные по твёрдостным характеристикам к алмазу. Предлагаем рассмотреть наиболее распространённые из таких образцов.

Диборид рения

Это достаточно интересное соединение, которое при невысоких нагрузках проявляет свои свёрхтвёрдые свойства. Его прочность достигает 48 ГПа. В условиях н нагрузках твердость материала снижается примерно вдвое. Именно по этой причине в современных научных кругах так и не определились, стоит ли относить диборид рения к классу сверхтвёрдых минералов.

Субоксид бора

В качестве элементарных составляющих этого материала выступают зёрнообразные частицы в виде выпуклого двадцатигранника. Их основу составляют двадцать многогранных кристаллов, каждую грань которых составляют четыре треугольника. Прочность этого материала достигает 45 ГПа.

Магниево-алюминиевый борид

По сути, это сплав магния, алюминия и бора, что ясно из самого названия соединения. У материала наблюдаются очень низкие показатели трения. Такое уникальное свойство могло бы сделать его настоящей находкой при производстве различных механических частей с низкой степенью износа, без необходимости использовать смазку. Однако сплав такого вещества очень дорог в производстве, а потому его широкое применение в настоящее время недоступно. Показатель твёрдости для борида алюминия-магния составляет 51 ГПа.

Аэрографит

Представляет собой синтетическую пену и наиболее лёгкий материал с волокнистой структурой. Волокно состоит из сетки углеродных трубок в несколько микронов. Его удельный вес более чем в 70 раз меньше чем аналогичный показатель у пенопласта. Однако прочность материала на порядок выше. Благодаря эластичной структуре аэрографита его можно сжимать до 30 раз от исходных размеров без повреждений. Эти свойства позволяют аэрографитной пене выдерживать нагрузки, которые в 40 тысяч раз превышают собственный вес аэрографитного образца.

Металлическое палладиевое стекло

Это уникальный синтетический материал, разработанный командой калифорнийских учёных лаборатории Беркли. Такое стекло идеально совмещает в себе свойства максимальной пластичности и прочности. Химическая структура палладиевого стекла скрадывает хрупкость стеклообразного вещества, сохраняя повышенную выносливость, что повышает усталостную прочность его структуры.

Кремниевый карбид

Материал, активно использующийся в производстве современной танковой техники. Его производство не требует существенных материальных затрат, а по характеристикам он отличается высокой твёрдостью и тугоплавкостью. Его часто используют при изготовлении спецснаряжения и спецоборудования, способного отражать пули, шлифовать либо резать прочные материалы. На основе кремниевого карбида изготавливают полупроводниковые элементы, абразивы, а также имитацию алмазного камня в ювелирном производстве.

Борный карбид

Его открыли в далёком XVIII веке – он практически сразу стал применяться во многих отраслях активно развивающейся в те времена промышленности. В современной практике он карбид бора используется в электронике, энергетической сфере, при изготовлении посуды, а также обработке различных металлических сплавов. Его твёрдость составляет 49 ГПа. При соединении с ионами аргона этот показатель может возрастать до 72 ГПа.

Графен

Как и алмаз, одна из аллотропных модификаций углерода. Графен имеет кристаллическую решётку с толщиной в один атом. Однако по прочности материал превосходит сталь в 200 раз. С виду напоминает пищевую плёнку, которую, тем не менее, практически невозможно разорвать. Чтобы пробить листы из графена насквозь потребуется приложить усилия в несколько сотен килограммов.

Кубонит наноструктурный

Известен также, как эльбор, боразон и кингсонгит. Показатель твёрдости материала максимально приближен к алмазу, что позволяет успешно использовать его при обработке металлических сплавов в современной промышленности. Наноструктурированный кубонит имеет показатель твёрдости в 108 ГПа.

Высокоплотный, сверхвысокомолекулярный полиэтилен

СВМПЭ обладает повышенной стойкостью к износу, а также высоким показателем вязкости и пониженным коэффициентом трения. Крайне надёжен при использовании в низкотемпературных условиях. В настоящее время считается наиболее крепким веществом волокнистого типа в мире. Полиэтилен примечателен тем, что по массе он легче воды, однако его прочность так высока, что он способен останавливать пули. Волокна СВМПЭ применяются при изготовлении высокопрочных канатов и тросов, которые не тонут в воде, не требуют смазки и не изменяют своих свойств при контакте с жидкостной средой.

Лонсдейлит

Его структура напоминает алмаз, поскольку он также является аллотропной модицикацией углерода. Материал был обнаружен в метеоритной воронке, наряду с графитом. Исследователи предполагают, что при взрыве на графит были оказаны плвышенные нагрузки, перестроившие его кристаллическую структуру и, тем самым, превратившие его в лонсдейлит. Изначально учёные не обнаружели в нём каких-то особых свойств или показателей твёрдостей. Однако при дальнейшем исследовании и очищении от примесей, им удалось добиться показателя твёрдости, превышающего твёрдость алмаза (порядка 152 ГПа).

Вюрсцитная модификация нитрида бора

Это природное соединение было открыто сравнительно недавно. Сформированный в ходе вулканических извержений, этот минерал твёрже алмаза почти на 20%. Это одна из двух субстанций натурального происхождения, обнаруженных на планете, являющихся твёрже алмазных кристаллов. Единственная проблема состоит в том, что таких нитридов в природе крайне мало, что существенно затрудняет их изучение и практическое применение.

Осмий

Необычайно твёрдый минерал, который имеет высокую температуру плавления и твёрдость, что делает крайне затруднительной его механическую обработку. Его часто используют в механизмах и устройствах, где требуется высокая степень прочности и износостойкости, а именно в составе военных снарядов, ракетостроении, электросхемах, хирургических имплантах и пр.

Фуллерит

Одно из самых твёрдых веществ в мире, представляющее собой кристалл, основу которого составляют молекулы, а не отдельные атомарные структуры. Таким образом, этот материал имеет феноменальные показатели твёрдости, что позволяет с его помощью без проблем царапать алмазные образцы. Показатель его твёрдости составляет 310 ГПа.

Кевлар

Высокопрочное синтетическое волокно, часто встречающееся в производстве тормозных колодок, автомобильных шин, бронежилетах, в составе кабелей, ортопедических протезов, применяемый в судостроении и производстве БПЛА. Он имеет высочайшие показатели прочности, представляя собой разновидность пластика с высокими показателями эластичности и прочности. Предел прочностного показателя практически в 10 раз выше, чем у стальных проводов, а температура его плавления составляет 450 ^оС.