Czy kiedykolwiek zastanawialiśmy się, czym jest twardość? Jest to miara odporności materiału na odkształcenia plastyczne powstałe na jego powierzchni. Skali twardości w świecie nauki jest bardzo dużo – wszystko zależy od tego, jakie materiały badamy. Metale, ceramika, tworzywa sztuczne czy nawet drewno mają określane stopnie twardości w różnych skalach.
Diamenty, które są minerałami, są opisywane jako najtwardsze według skali twardości Mohsa, która jest używana tylko do badania minerałów. Ale czy są w ogóle najtwardszymi na świecie substancjami? I tak, i nie.
Czytaj też: Od małych minerałów do wielkich interpretacji. Historia wczesnej Ziemi skrywa wiele tajemnic [WYWIAD]
Skala twardości Mohsa – jak twarde są diamenty?
Na początku przyjrzyjmy się, jak działa skala twardości Mohsa i jak ją interpretować. Została ona opracowana ponad 200 lat temu w 1812 roku przez mineraloga Friedricha Mohsa, od którego wzięła swoją nazwę. Dziesięciostopniowa skala wyraża twardość minerałów wyłącznie porównawczo. Co to znaczy?
Minerał o twardości 6 niekoniecznie jest dwa razy twardszy od minerału o twardości 3. Skala Mohsa nie działa proporcjonalnie, ani liniowo. Niemiecki mineralog wybrał po prostu dziesięć reprezentatywnych i ogólnie występujących minerałów, które ułożył od najmniej twardego do najbardziej twardego.
Skala obejmuje następujące minerały wzorcowe: 1 – talk, 2 – gips, 3 – kalcyt, 4 – fluoryt, 5 – apatyt, 6 – ortoklaz (skaleń), 7 – kwarc, 8 – topaz, 9 – korund, 10 – diament.
Skala działa w ten sposób, że jeśli badany minerał jesteśmy w stanie zarysować minerałem wzorcowym i odwrotnie, to wówczas okaz ma twardość odpowiadającą twardości minerału wzorcowego. Przykładowo: badana próbka zarysowuje kalcyt o twardości 3 oraz kalcyt również zarysowuje próbkę, to ma ona stopień twardości także 3. Natomiast jeśli próbka zarysowuje kalcyt, ale odwrotnie już nie, to wówczas próbka jest twardsza i ma twardość co najmniej 3,5. Wówczas trzeba podjąć kolejnych prób rysowania z twardszymi minerałami wzorcowymi.
Chociaż to wszystko może brzmieć skomplikowanie, to do dzisiaj badanie twardości według skali Mohsa jest podstawową metodą stosowaną podczas badań terenowych geologów na całym świecie. Nawet jeśli nie posiadamy charakterystycznego pudełka z próbkami wszystkich dziesięciu minerałów, domowymi przedmiotami również możemy określić twardość minerałów. Gips jesteśmy w stanie zarysować paznokciem, apatyt – nożem, a kwarc natomiast będzie w stanie przeciąć szkło.
Właśnie w tej skali Friedrich Mohs umieścił diamenty jako najtwardsze minerały na świecie, ale przyjęło się w świecie naukowym, że są one ogólnie najtwardszymi substancjami naturalnie występującymi w przyrodzie.
Czytaj też: Obce planety mogą być dziwniejsze niż sądziliśmy. Są zbudowane z nieznanych minerałów
Diamenty nie są najtwardsze? Zdeklasował je… inny diament
Jednakże w 2009 roku świat nauki usłyszał przełomową wiadomość – diamenty przestały być uznawane za najtwardsze na świecie. W ogólnej kategorii najtwardszych materiałów występujących na Ziemi musiały ustąpić miejsca azotkowi boru o strukturze wurcytu oraz lonsdaleitowi, który… jest naturalnie występującym minerałem.
Lonsdaleit jest tak naprawdę odmianą diamentu o złożonej strukturze krystalograficznej, który dawniej był uznawany za odrębny minerał. Jego nazwa pochodzi od nazwiska wybitnej krystalografki Kathleen Lonsdale. Składa się z atomów węgla i powstaje w wyniku dynamicznych procesów metamorfizmu kontaktowego podczas upadków na Ziemię meteorytów mających w swoim składzie grafit. W stanie naturalnym występuje niezwykle rzadko, a jego próbki często bywają zanieczyszczone innymi związkami.
Minerał ten zidentyfikowano po raz pierwszy w 1967 roku. Znaleziono go w meteorycie Canyon Diablo, gdzie występował w formie mikroskopijnej wielkości kryształów powiązanych z diamentem.
Badania laboratoryjne badaczy z Szanghajskiego Uniwersytetu Jiao Tong w Chinach udowodniły, że lonsdaleit jest wytrzymalszy od „zwykłego” diamentu aż o 58 proc. Ponieważ minerał ten jest w zasadzie nadal diamentem, nie zmienia to niczego w skali twardości Mohsa.
Natomiast azotek boru (w-BN) o strukturze lonsdaleitu, ale z innym składem chemicznym, w eksperymentach chińskich badaczy okazał się o 18 proc. wytrzymalszy od diamentu.
Dyskusje na temat lonsdaleitu oraz azotku boru nie zamilkły po 2009 roku. W kolejnych latach pojawiały się negatywne opinie środowiska twierdzące, że próbki wykorzystane przez naukowców były zbyt małe, aby móc stwierdzić tak odważne wnioski. Wiele naukowców odrzuciło tezę o ich nadzwyczajnej twardości. Najnowsze badania nad azotkiem boru (w-BN) z 2019 roku ukazały, że nie jest on tak wytrzymywały i że są twardsze odmiany tego związku, które jednak nie równają się wytrzymałości diamentu.
Tak czy owak przynajmniej o lonsdaleicie zrobiło się głośno. W 2016 roku naukowcy z Australian National University stworzyli w laboratorium syntetyczną wersję minerału. Nie musieli oni symulować warunków ciśnienia i temperatury, jakie panują podczas uderzenia meteorytu. Okazało się, że w temperaturze 400 st. C i przy ciśnieniu 100 GPa można otrzymać czysty lonsdaleit.
Czytaj też: Marsjański minerał znaleziony w lodzie Antarktyki. Na Ziemi jest niezwykle rzadki
Dlaczego tyle uwagi przywiązuje się do tak rzadkiego minerału?
Chodzi o bogate zastosowanie praktyczne tak twardego materiału. Od dawna stosuje się domieszki diamentów chociażby w przemyśle wiertniczym – dzięki temu z łatwością można budować podziemne tunele, ciąć twarde metale czy rozdrabniać inne materiały. Jeśli lonsdaleit faktycznie jest jeszcze bardziej wytrzymały od „klasycznej odmiany” diamentu, to wówczas ma on szansę stać się bardzo pożądanym na rynku minerałem.
Podsumowując, czy diamenty są najtwardszymi minerałami na Ziemi? Jak najbardziej tak. Najnowsze odkrycia dotyczące lonsdaleitu czy azotku boru o strukturze wurcytu powinniśmy nadal traktować jako ciekawostki ze świata nauki. Niewykluczone jest jednak, że być może w przyszłości to jednak lonsdaleit (lub inny, nieznany nam jeszcze minerał), a nie diament, będzie stał na szczycie skali twardości Mohsa.