Hvis man spørger, hvad der er verdens hårdeste materiale, vil mange højst sandsynligt svare 'diamant'.
Navnet stammer fra det græske ord 'ἀδάμας' (adámas), der betyder 'ubrydelig' eller 'uovervindelig'.
Diamant er et gennemsigtigt mineral bestående af kulstof, og det er det hårdeste kendte mineral. Mineralets hårdhed betyder, at det hverken slides eller nedbrydes ved brug, og man anvender det derfor ofte i industrien til at skære og slibe med stor præcision.
Forskerne har brugt flere årtier på at finde billigere, hårdere og mere praktiske alternativer, og med jævne mellemrum bliver et nyt materiale udråbt til at være det nye 'verdens hårdeste materiale'.
Men kan disse nykommere virkelig konkurrere med diamant?
Svært at definere hårdhed
Hårdheden er en af materialernes vigtigste egenskaber, og den afgør ofte, hvad de kan bruges til.
\ Fakta
Diamanter består af rent carbonkulstof. Allotrop er det fænomen, at et grundstof kan optræde i flere forskellige tilstande, og der findes otte allotrope former af kulstof - heriblandt kulstof nanorør (eller buckytube), amorf kulstof, diamant og grafit. I et grundstof er atomerne ens, men de kan danne forskellige krystalstrukturer og i nogle tilfælde forskellige molekyler. For eksempel forekommer kulstof (carbon) dels som diamant og dels som grafit med hver sin strukturelle opbygning, som ligger til grund for de forskellige egenskaber - grafitstrukturen er for eksempel udpræget lagdelt. Carbonatomets yderste bane har fire elektroner. I diamanter deles de 4 elektroner med yderligere 4 carbonatomer, som danner meget stærke kemiske forbindelser, der resulterer i en ubøjelig tetravalent krystal. Det er denne enkle, tæt forbundne forbindelse, der skaber et af verdens hårdeste materialer, diamant.
Men det kan være temmelig svært at definere hårdheden. Et minerals hårdhed er en angivelse af dets bestandighed i forhold til ridser i overfladen og angives ofte efter Vickers-metoden. Vickers-hårdhed er i metallografien et almindeligt anvendt mål for et materiales hårdhed. Målemetoden blev udviklet i 1920'erne af ingeniører på Vickers Ltd. i England.
Der findes mange måder at måle hårdheden, men typisk benyttes et redskab til at presse en fordybning ned i et kendt materialets overflade. Forholdet mellem overfladen, fordybningen og den kraft, der blev brugt til at lave den, leverer en hårdheds-værdi.
Jo hårdere materialet er, jo større er værdien. Vickers-målemetoden består i at lade en pyramideformet diamantspids med 136° topvinkel trænge ned i en poleret overflade under roligt stigende belastning, hvorefter indtrykkets diagonaler opmåles under mikroskop.
Blødt stål har en hårdhed på cirka 9 GPa (GPa er en SI-enhed. Hårdheden kan også opgives i HV, Rockwell-hårdhed og Brinell-hårdhed, red.), mens diamant har en hårdhed på omkring 70 til 100 GPa.
Et overraskende ustabilt materiale
Problemet med diamant er, at selvom materialet er meget hårdt, er det samtidigt overraskende ustabilt.
Når diamant varmes op over 800 grader Celcius, ændres de kemiske egenskaber sig, hvilket har en effekt på styrken og får det til at reagere med jern og danne jernkarbid.
Disse begrænsinger har ført til en voksende fokus på produktionen af nye, superhårde materialer, der kan erstatte diamant. Et mere modstandsdygtigt belægningsmateriale vil betyde, at industrielle værktøjer ville kunne holde længere, hvilket vil reducere behovet for kølemidler, der kan være miljøskadelige.
Indtil videre er det lykkedes forskerne at fremstille adskillige potentielle rivaler til diamant.
1. Boron nitrid
Boron nitrid er et syntetisk materiale, der først blev produceret i 1957.
Ligesom carbon har det adskillige allotroper (se faktaboks 2). I sin kubiske form har boron nitrid den samme krystalliske strukturelle opbygning som diamant, men i stedet for carbonatomer er det opbygget af skiftevis bundne boron- og nitrogenatomer. c-BN er kemisk og termisk stabilt og er almindeligt brugt som en superhård overfladebehandling af maskinværktøj i bil- og luftfartsindustrien.
Men kubisk boron nitrid er med en hårdhed på 50 GPa stadig kun verdens næsthårdeste materiale. I dens sekskantede strukturform (w-BN) blev det først rapporteret, at det var endnu hårdere. Men resultaterne var baseret på teoretiske situationer, som ellers indlednings forudsagde en modstandsdygtighed, der var 18 procent større end diamanternes.
Desværre er w-BN meget sjældent naturligt forekommende, og det er svært at fremstille nok til at afprøve påstanden gennem eksperimenter.
2. De syntestiske diamanter
En stor del af de diamanter, der bruges i industrien, er fremstillet syntetisk.
De syntetiske diamanter blev først fremstillet af det svenske ASEA i 1953, og det hævdes ofte, at de på grund af en anderledes krystalstruktur er hårdere end naturlige diamanter.
Syntestiske diamanter produceres ved at udsætte grafit for en kombination af højt tryk og høje temperaturer for at simulere de naturlige diamantproducerende forhold under jordoverfladen. Derved tvinges grafitstrukturen til at omdanne sig til den tetravalente diamant. Det er dog både en dyr og langsom metode.
En anden metode er at opbygge det med kulstofatomer fra opvarmede hydrocarbon-gasser, men den type materiale, der benyttes, findes i meget begrænset udstrækning.
Syntestiske diamanter er polykrystallinske, det vil sige, at de består af diamantpulver, som er bundet sammen under højt tryk og høje temperaturer.
De består af mange små krystalliner (eller 'korn') med en kornstørrelse fra et par mikrometer til nogle nanometer. De fleste naturlige diamanter, der benyttes til smykker, er derimod monokrystallinske.
Jo mindre kornene er, jo flere korn-skillelinjer er der - og jo hårdere er materialet. Forskning lavet med syntetiske diamanter fandt for nylig, at de havde en Vickers hårdhed på 200 GPa.
3. Q-carbon overgår måske diamant
Forskere ved North Carolina University har for ganske nylig skabt, hvad de beskriver som en ny carbon-type.
Den er særskilt fra andre allotroper, og det berettes, at den er hårdere end diamant.
Den nye type fremstilles ved at opvarme ikke-krystallinsk kulstof til 3.700 grader Celcius med en kraftig og hurtig laserpuls for derefter hurtigt at nedkøle den (eller 'Quenching' - kvæle, deraf navnet Q-carbon, red.), så der skabes micron-dimensionerede diamanter.
Forskerne fandt, at Q-carbon er 60 procent hårdere end diamantlignende carbon (en type amorf kulstof med diamantligende egenskaber). De forventer derfor, at Q-carbon er hårdere end diamanter, selvom det stadig skal bevises med forsøg. Q-carbon er desuden magnetisk og blusser op, når det udsættes for lys.
Men indtil videre har denne forsknings hovedformål været at udgøre et mellemliggende trin i produktionen af småbitte, syntestiske diamantpartikler ved stuetemperaturer og tryk.
Disse nanodiamanter er for små til at kunne bruges til smykker, men er ideelle som belægning på industrielle skære-, polerings- og slibningsværktøj.
Dr. Paul Coxon, Cambridge University, hverken arbejder for, rådfører sig med, ejer aktier i eller modtager fondsmidler fra nogen virksomheder, der vil kunne drage nytte af denne artikel, og har ingen relevante tilknytninger. Denne artikel er oprindeligt publiceret hos The Conversation.
Oversat af Stephanie Lammers-Clark
