Если вас попросят назвать самую трудную вещь во Вселенной, то большинство людей скажут алмазы. Но, на самом деле, ответ не так прост, как может показаться на первый взгляд.
На протяжении веков алмазы были воплощением и даже определением твердого материала. Можно утверждать, что их превзошли, но история непростая.
В 1812 году Фридрих Моос захотел создать шкалу твердости веществ. У Мооса не было способа измерить степень деформации веществ под давлением, поэтому он использовал тальк в качестве отправной точки, определив ее как единицу. Он установил алмазы, самый твердый минерал, который он знал, на 10, оставив все остальное промежуточным звеном между ними. Твердость оценивалась на основе способности одного материала оставлять видимые царапины на другом, как, например, знаменитое (но ненадежное) тестирование реальности заявленного драгоценного камня путем проверки того, может ли он поцарапать стекло.
У шкалы Мооса есть свои проблемы, в том числе тот факт, что значения, которые он приписывал промежуточным веществам, не были линейными. Тем не менее, для некоторых целей она все еще используется. Полевые геологи находят это полезным для идентификации неизвестных горных пород без доступа к испытательному оборудованию.
Из-за недостатков шкалы Мооса были введены другие меры твердости, более строгие. Например, шкала твердости Виккерса измеряет нагрузку, которую вещество может выдержать, не деформируясь.
Однако первоначально, независимо от используемого масштаба, самым твердым веществом оставались алмазы. Действительно, тест Виккерса проводится путем приложения большой силы к алмазу пирамидальной формы, прижатому к испытуемому веществу. Четыре углеродные связи, не прерываемые примесями других драгоценных камней, было трудно преодолеть, и многие считали, что нет ничего сложнее.
Однако даже это было признано в некотором роде чрезмерным упрощением, поскольку алмазы бывают разных типов, одни тверже других. Самые твердые алмазы, относящиеся к типу IIa, почти не содержат примесей. Хотя алмазы IIa составляют лишь 1-2 процента природных алмазов, в их число входят многие из самых известных камней в мире. Большинство синтетических алмазов, максимально прочных, относятся к типу IIa.
Человечество редко удается так легко удовлетворить, а моделирование кристаллов вюрцита нитрида бора (wBN), образующихся в виде крошечных зерен в вулканах, показало, что твердость алмаза можно превысить. Моделирование не всегда соответствует реальности, а естественные части wBN настолько малы, что их невозможно протестировать напрямую.
Продолжались споры о том, действительно ли эта комбинация атомов по обе стороны от углерода в таблице Менделеева может превзойти оригинал. Когда в 2009 году химикам удалось произвести большие количества wBN, они обнаружили, что он менее тверд, чем алмазы по шкале Виккерса, но не все с этим согласились.
Еще одно природное вещество, которое, как утверждается, тверже алмаза, — это лонсдейлит, но этот вопрос также является предметом дискуссий. Как и алмазы, лонсдейлит состоит из углерода, но имеет гексагональную, а не кубическую форму. Есть причина, по которой пчелы строят свои соты из шестиугольников – это очень прочная форма – и теоретически лонсдейлит должен быть на 58 процентов тверже алмазов.
Однако лонсдейлит естественным образом образуется только тогда, когда астероиды врезаются в Землю. Углерод астероидов, сжимающийся в лонсдейлит, никогда не бывает идеально чистым, а следы других элементов ослабляют продукт. Следовательно, хотя теоретически может существовать природный лонсдейлит, который тверже алмаза, никто его не нашел.
Пришло время обратиться к лаборатории, которая в 2004 году привела к производству графена (графен на самом деле производился и раньше, но учёные не осознавали, что у них есть). Графен похож на лонсдейлит тем, что состоит из углерода с гексагональной структурой, но, будучи искусственным, он позволяет избежать проблем с чистотой. Однако он существует в виде листов одного слоя атомов.
Графен — настолько удивительный материал (его изобретатели получили за это открытие Нобелевскую премию по физике 2010 года), что его твердость едва упоминается среди других его свойств. Тем не менее теоретически он тверже алмаза. С другой стороны, возникает резонный вопрос, что означает твердость для того, что фактически является двумерным материалом.
Сверхтвердые материалы востребованы по практическим соображениям, а не просто для того, чтобы похвастаться. Алмазы имеют множество промышленных применений, требующих резки или полировки твердых материалов. Более твердый материал, производимый в больших количествах, мог бы иметь огромную ценность, если бы с его помощью можно было достичь того же самого быстрее. Однако пока ничто не отвечает этому требованию.