Diament od dawna jest uznawany za najtwardszy znany materiał naturalny. Skala twardości Mohsa, która mierzy twardość minerałów poprzez odporność na zarysowania, umieszcza diament na najwyższym poziomie – 10. Jest to wynik wyjątkowej struktury atomowej diamentu, w której każdy atom węgla jest połączony z czterema innymi atomami węgla w bardzo mocnej wiązaniu kowalencyjnym. Jednakże, w ostatnich latach naukowcy odkryli materiały, które mogą przewyższać diament pod względem twardości.
1. Azotek boru w formie wurtzytu (w-BN)
Jednym z materiałów, który wzbudził zainteresowanie badaczy, jest azotek boru w formie wurtzytu (w-BN). Azotek boru jest związkiem chemicznym, który może występować w różnych formach krystalicznych. W formie wurtzytu, jego struktura atomowa jest bardzo podobna do diamentu, co sprawia, że jest niezwykle twardy.
Symulacje komputerowe przeprowadzone przez naukowców wykazały, że w-BN może być nawet o 18% twardszy od diamentu. Powodem tej wysokiej twardości jest to, że pod bardzo dużym ciśnieniem, atomy w strukturze w-BN są przesuwane, co prowadzi do zwiększenia gęstości wiązań atomowych. Choć badania nad wurtzytem są jeszcze w fazie eksperymentalnej, to jego potencjał jako supertwardego materiału jest ogromny.
2. Lonsdaleit
Lonsdaleit, znany również jako diament heksagonalny, to kolejny materiał, który przewyższa diament pod względem twardości. Jest to rzadko spotykana, naturalnie występująca forma węgla, której struktura krystaliczna różni się od klasycznego diamentu. W lonsdaleicie atomy węgla są ułożone w heksagonalnym wzorze, co nadaje mu większą twardość.
Symulacje komputerowe sugerują, że lonsdaleit może być nawet o 58% twardszy od diamentu. Choć naturalne próbki lonsdaleitu są bardzo rzadkie i zazwyczaj niewielkie, naukowcy próbują stworzyć większe ilości tego materiału w laboratorium. Jeżeli uda się to osiągnąć, lonsdaleit mógłby znaleźć szerokie zastosowanie w przemyśle, zwłaszcza tam, gdzie wymagana jest ekstremalna twardość, np. w narzędziach do cięcia i wiercenia.
3. Nanomateriały: nanodiamenty i ultratwarde nanokryształy
Oprócz w-BN i lonsdaleitu, naukowcy badają także inne zaawansowane materiały, takie jak nanodiamenty i ultratwarde nanokryształy. Nanodiamenty to mikroskopijne cząsteczki diamentu o rozmiarze nanometrycznym, które mogą mieć inne właściwości niż klasyczne diamenty. Ich twardość może być zwiększona dzięki zmniejszeniu wielkości kryształów do skali nanometrycznej, co prowadzi do lepszego wykorzystania struktury atomowej diamentu.
Kolejnym obiecującym materiałem są ultratwarde nanokryształy, które składają się z bardzo małych kryształów o niezwykle zwartym ułożeniu atomów. Nanokryształy mogą przewyższać diament pod względem twardości ze względu na bardziej efektywne wykorzystanie przestrzeni międzyatomowej.
4. Dwuwymiarowe struktury: grafen i dwuwęglik
Grafen, chociaż nie jest twardszy od diamentu w klasycznym rozumieniu, jest innym przykładem materiału o niezwykłych właściwościach mechanicznych. Jest to jednowarstwowa sieć atomów węgla ułożonych w heksagonalnym wzorze, która charakteryzuje się niesamowitą wytrzymałością na rozciąganie. Choć grafen jest bardziej elastyczny niż diament, jego wytrzymałość na zerwanie jest większa.
Dwuwęglik to kolejny materiał, który zyskuje na popularności w badaniach nad supertwardymi materiałami. Jest to dwuwymiarowy związek chemiczny, który może tworzyć bardzo mocne wiązania, przewyższając twardość diamentu w pewnych zastosowaniach.
Zastosowania przyszłych materiałów
Materiały twardsze od diamentu mają potencjalnie ogromne zastosowanie w różnych dziedzinach przemysłu. Mogą być używane do produkcji narzędzi tnących i wiercących, które muszą radzić sobie z najtwardszymi materiałami, takimi jak stal, ceramika czy beton. Oprócz tego mogą znaleźć zastosowanie w elektronice, jako superwytrzymałe powłoki ochronne, a nawet w technologiach kosmicznych, gdzie ekstremalna wytrzymałość jest kluczowa.
Choć diament pozostaje królem twardości w wielu zastosowaniach, odkrycie materiałów twardszych od diamentu otwiera nowe możliwości dla nauki i inżynierii. Badania w tej dziedzinie wciąż się rozwijają, a w przyszłości możemy spodziewać się jeszcze bardziej zaawansowanych i wytrzymałych materiałów, które zrewolucjonizują przemysł i technologię.