„A gyémántnak léteznek mesterséges körülmények között előállított változatai, amelyek a természetes gyémántnál is keményebbek, valamint két újonnan felfedezett anyag,a wurtzit-bórnitrid és a lonsdaleit is keményebb a drágakőnél, csakúgy mint a fullerit, illetve bizonyos körülmények között a bárium titanát-ón ötvözet,. Arról érdeklődnék, hogy mekkora valójában ezen anyagok keménysége, és mit érdemes tudni róluk.” – írja Kiss Dávid.


A gyémánt – a legújabb kutatások szerint – immár nem a világ legkeményebb anyaga. Ehelyett néhány ritka természetes matéria vette át a vezető szerepet: az egyik az úgynevezett lonsdaleit, ami szintén szénatomokból áll, mint a gyémánt, azonban 58 százalékkal nehezebb, és csak szerkezetében tér el tőle, a másik pedig a wurtzit-bórnitrid.

Zicheng Pan és kollégái a Sanghaji Jiao Tong Egyetemen végzett kutatások során szimulálták, hogyan viselkednének az atomok két igen keménynek hitt anyagban, ha nyomásnak tennék ki őket. Az egyik anyag a wurtzit-bórnitrid volt, amelynek szerkezete a gyémántéhoz hasonló, csak más atomok alkotják. A másik, a lonsdaleit, egy hatszögletű gyémánt, ami szintén szénatomokból áll, csak szerkezete tér el azétól.

Az eredmények alapján a wurtzit-bórnitrid 18 százalékkal, a lonsdaleit pedig 58 százalékkal múlja felül a gyémánt keménységét. Elsősorban a wurtzit-bórnitrid bizonyulhat hasznosnak az anyagkutatás számára, hiszen levegőn magasabb hőmérsékleteket is kibír, mint a gyémánt. Hasznos lehet fúrószerszámok működtetésénél, űrhajók készítésénél. A probléma csak az, hogy egyik anyag sem áll bőségesen rendelkezésre, csak kis mennyiségben léteznek a természetben.

A lonsdaleit grafittartalmú meteorok becsapódásakor keletkezik, a wurtzit-bórnitridhez pedig vulkánkitörések kellenek, ahol magas a hőmérséklet és nyomás áll fenn.

Paradox módon a wurtzit-bórnitrid keménysége tulajdonképpen az alkotó atomok rugalmasságából adódik. Ha az anyag nagy nyomásnak van kitéve, akkor képesek 90 fokban elmozdulni, enyhítve ezzel a feszültséget.

Hasonló kutatásokat Natalia Dubrovinskaia is végzett a németországi Heidelberg egyetemen, aki szerint nagyon fontos minden ilyen kísérlet, amely betekintést enged az anyagok tulajdonságaiba, különösen a keménységükkel foglalkozó vizsgálatok, amelyek technológiailag rendkívül jelentősek lehetnek.

A bárium-titanát volt az első, kerámiai technológiával előállított polikristályos ferroelektromos anyag. Ezt a tulajdonságát 1944-ben fedezték fel. Ekkor széles körű kutatás indult, egyrészt újabb polikristályos ferroelektromos dielektrikumok fejlesztésére, másrészt az anyagok tulajdonságainak pontos felderítésére. Az ásványi bárium-titanát részecskék és az olvasztott ón keverékéből készült az az új anyag, ami egy bizonyos hőmérséklet tartományban még a gyémántnál is erősebbnek bizonyult.

Az új anyagot két amerikai intézet, a Washington Állami Egyetem és a Wisconsin-Madison Egyetem, valamint a németországi Bochum városában működő Ruhr Egyetem kutatócsoportja állította elő. A kutatók két köznapi anyag ötvözésével érték el a gyémánttal vetekedő mesterséges anyagot. Elsőként ónt hevítettek 300 Celsius fok fölé, majd egy, az elektronikában gyakran használt, kerámia technikával készülő szigetelő, a bárium-titanát darabjait keverték bele.

A részecskéket, melyek átmérője egyenként 0,1 milliméter körül mozgott, egy ultrahangos szonda segítségével egyenletesen oszlatták szét az ónban. Az összetett anyagot 3 centi hosszú és 2 milliméter széles formákba helyezték, majd miután kihűlt, elvégezték a szilárdsági teszteket. A kísérletet különböző hőmérsékleteken hajtották végre, amelyek közül a legideálisabbnak egy szűk, 58–59 Celsius fok közötti tartomány bizonyult, ezen ugyanis a minták erősebbnek bizonyultak a gyémántnál is, egyes darabok pedig akár a tízszeresét is elérték a gyémánt hajlításnagy sal szembeni ellenállásának.

Az anyag keménységét a bárium-titanátnak, illetve annak kristályszerkezetbeli változásainak köszönheti. A kristályszerkezet a hőmérséklet csökkenésére tágulni kezd, az ón mátrixának fogságában azonban túlfeszül. A keletkező energia felhalmozódik, majd egy bizonyos hőmérsékleten kiszabadul és ellenszegül a hajlítóerőnek.

A fullerének az elemi szén 20. század végén felfedezett és előállított mesterséges módosulatai. Nevét Richard Buckminster „Bucky” Fuller amerikai látnok, tervezőmérnök, polihisztorról kapta, amely 70%-os tömörítés esetén viszont már a gyémántét meghaladó keménységű.


Szabados Melinda


Kapcsolódó cikk:
Szupergyémántok 1. rész>>; 2. rész>>