ダイヤモンドは、モース硬度計で 10 点満点であり、引っ掻いたときに最も硬い天然素材であることを示しています。ただし、隕石に含まれる物質であるロンズデーライトは、ダイヤモンドよりもさらに硬いと予測されています。
科学好きのオタクに「一番硬い素材は何ですか?」と聞いてみてください。彼は間違いなくダイヤモンドと答えるでしょう .
ダイヤモンドという言葉は、ギリシャ語の ἀδάμας (adamas と読む) にルーツがあり、乗り越えられない、壊れないという意味です。何十年もの間、人間はダイヤモンドの非の打ちどころのない硬度を利用して、集中的な切削作業を行ってきました。また、ダイヤモンドは光と美しく相互作用する能力を備えているため、女性にとって切望されているジュエリーアイテムです。しかし、ダイヤモンドは本当に地球上で最も硬い物質なのでしょうか?
まあ、ほぼ…しかし、科学者たちは、ダイヤモンドよりもさらに硬いと考えられている潜在的なライバルを発見しました.
眩しいダイヤモンド (写真提供:Manutsawee Buapet/Shutterstock)
地球上で自然発生する最も硬い物質
自然発生に関しては 最も硬い物質では、ダイヤモンドが明らかに勝者です。コンパクトな構造のおかげで、その硬度を打ち負かすことは非常に困難です。ここで問題が発生します...どのように硬度を測定するのですか?
硬度の測定
材料科学では、材料の硬度を評価することは非常に重要です。ただし、硬さの定義はそれほど簡単ではありません。したがって、硬度は、状況と適用性に応じて、異なる方法で測定できます。
モース硬度計
最も一般的に使用される硬度スケールの 1 つは、19 世紀にドイツの鉱物学者フリードリヒ モースによって考案されたモース硬度スケールです。このスケールでは、硬度は、別の素材で引っかいたときに特定の素材が示す抵抗の尺度です。硬度のモース スケールの範囲は 0 から 10 で、10 は最も硬い (傷の影響が最も少ない) ことを示し、0 は最も硬いことを示します。
鉱物硬度のモーススケール (写真提供:Andriy Kananovych/Shutterstock)
ダイヤモンドはこのスケールで 10 点満点で、引っ掻いたときに最も硬い天然素材であることを明確に示しています。ダイヤモンドがどれほど優れているかを理解するために、このスケールでわずか 4.5 のスコアを獲得した、靭性で知られる鋼を考えてみてください!
現在、物質の耐傷性によって硬度を測定することは、すべての人に承認されているわけではありません。したがって、科学者は硬度を測定する別の方法を探し始めました。硬度を評価するために圧子を使用する別の硬度技術が開発されました。
ビッカース硬さ試験
圧子を使用して硬さを測定する最も有名な試験の 1 つは、ビッカース硬さ試験です。硬さを評価したい材料にピラミッド型の圧子を押し当てる硬さ試験方法です。問題の材料に特定の量の力を特定の時間適用します。この押し込み作業の後、材料の押し込みの程度が測定されます。これは、圧子によって材料に加えられた圧痕の表面積を測定することによって行われます。ここでも、ダイヤモンドは地球上で最も硬い天然素材であることが判明しました。
ダイヤモンドの硬さは何ですか?
この時点で、あなたは自分自身に問いかけているかもしれません。なぜダイヤモンドはそんなに固いのですか?その答えは、この光沢のある元素の分子構造にあります。ダイヤモンドは炭素の同素体であり、四面体格子構造で互いに電子を共有する 5 つの炭素原子で構成されています。これらの炭素原子間の共有結合は非常に強く、室温で切断するのは非常に困難です.
炭素の四面体構造としてのダイヤモンド
この強力な共有結合により、ダイヤモンドは自由電子を持たないため、電気伝導性は低くなりますが、熱伝導性は優れています。実際、ダイヤモンドは銅よりも熱伝導が約 5 倍優れています。熱伝導率が非常に優れているため、ダイヤモンドはヒートシンクなどの電気部品によく使用されます。
そして最も硬い素材は…
これを読んだ後、ダイヤモンドは無敵だと感じるかもしれませんが、そうではありません。ダイヤモンドは非常に高温で脆弱になります。ダイヤモンドを 800oC 以上に加熱すると、その化学的および物理的特性は同じままではなくなります。ダイヤモンド特有の靭性が損なわれます。それらは鉄と化学的に反応し始め、これがダイヤモンドを鋼の機械加工に望ましくないものにしています.
そのため、科学者や研究者は、化学的安定性に優れた超硬質材料を長い間探してきました。 2009 年に、上海交通大学とネバダ大学で共同研究を行っている研究者は、ダイヤモンドに勝る 2 つの材料を発見したと主張しました!
最も硬い物質として提案された 2 つの潜在的な主張者は、ウルツ鉱窒化ホウ素 (w-BN) とロンズデーライトでした。
ウルツ鉱窒化ホウ素 (w-BN)
ウルツ鉱窒化ホウ素 (w-BN) は、ダイヤモンドと似た構造を持っていますが、炭素と並んでホウ素と窒素の原子で構成されています。 w-BN は非常にまれで、特定のタイプの火山噴火の余波でしか見られません。 2009 年に研究者が行った六角形構造の w-BN のシミュレーションでは、鋼よりも 18% 硬いことがわかりました。さらに、w-BN は高温でダイヤモンドよりも化学的に安定しています。
ロンズデーライト
ロンズデーライトは、構造は異なりますが、ダイヤモンドと同じように炭素原子のみでできています。そしてなんと… ロンズデーライトはw-BNよりもさらに強いのです！興味深いことに、ロンズデーライトは、グラファイトが豊富な隕石が地球に衝突したときに得られる宇宙物質です。へこみのシミュレーションは、ロンズデーライトがダイヤモンドより 58% 強く、ロンズデーライトを地球上で最も硬い物質にすることを示しました.
待って、キャッチがある…
ただし、w-BN とロンズデーライトがダイヤモンドよりも強いというこれらの主張には問題があります。これらの主張は、物理的な検証ではなく、コンピューター上で実行されるシミュレーション プログラムに基づいています。これらの要素は見つけるのが非常に難しいため、硬度を確認するための物理的なテストはまだ行われていません.
そうは言っても、彼らのシミュレーションは、これらのダイヤモンドよりも硬いことを示唆しています 材料は熱的および化学的安定性が良好です。人工的に十分な量を生産できれば、状況を一変させる可能性があります。他の切削工具の上に配置することで、強力なカッターとして使用できます。また、高温での安定性は、非常に高温の金星や水星への宇宙ミッションで役立つでしょう。
最終的な考え
ダイヤモンドは概念上、最も硬い素材であるという王冠を失ったかもしれませんが、宝石の王様であり続けるでしょう。さらに、ロンズデーライトが最も硬い物質であるという主張はまだ物理的に確認されていないため、ダイヤモンドに疑いの余地を与えることができます.比喩的に言えば、ダイヤモンドは、その地位を維持するために、他の炭素ベースの同業者から多大な圧力を受けています。幸いなことに、ダイヤモンドは大量の岩石の下で極度の外部応力に勇敢に耐え、圧力の処理に慣れているため、形成することができました!
