معدن

الماس ديگر سخت‌ترين ماده جهان نيست
تاكنون اگر سراغ از سخت ترين ماده در دنيا مي‌گرفتيم، پاسخي جز الماس نمي‌يافتيم. با تحقيقات انجام شده در زمينه فشارهاي تراكمي در رابطه با فرورفتن جسمي در ماده، دانشمندان در محاسبات خود به اين نتيجه رسيدند كه ماده‌اي به نام نيتريد بور ورتزيد (w-BN) داراي مقاومت بيشتري نسبت به الماس در اين زمينه است. دانشمندان همچنين دريافتند كه ماده ديگري با نام لونسداليت (كه با نام الماس هگزاگونال نيز شناخته مي‌شود، زيرا از كربن ساخته شده و مشابه الماس است)، حتي مستحكم‌تر از w-BN و 58 درصد محكم‌تر از الماس است كه از اين لحاظ ركورد جديدي محسوب مي‌شود. اين تحليل‌ها نخستين موارد كشف ماده‌اي است كه با اعمال يك شرايط بار مشابه بر روي آن از نظر استحكام فراتر از الماس عمل مي‌‌كند.
يكي از محققان اين مقاله از دانشگاه نوادا در اين زمينه اظهار داشت كه كشف جديد در نتايج به‌دست آمده اين است كه فشار تراكمي نرمال بالا تحت تاثير يك جسم سخت فرورونده مي‌تواند ساختار مواد معيني را از قبيل w-BN و لونسداليت را به يك ساختار فوق مستحكم تبديل كند كه سخت‌تر از ساختار الماس است. اين يك مكانيزم جديد است كه مي‌تواند در طراحي مواد فوق مستحكم جديد مورد استفاده قرار بگيرد.
اين دانشمند اظهار دارد كه استحكام بسيار عالي w-BN و لونسداليت ناشي از واكنش ساختار اين مواد در مقابل فشار تراكمي است. فشار تراكمي نرمال تحت يك جسم فرورونده موجب مي‌شود مواد دستخوش يك استحاله فازي ساختاري شده و تبديل به يك ماده با ساختارهاي قوي‌تر شوند و اين در حالي است كه با جابه جايي ناگهاني پيشوندهاي بين اتم‌هايشان هماهنگ با فشار ايجاد شده مانع از تغيير در حجم‌شان مي‌شوند. اين دانشمند در ادامه افزود كه w-BN و لونسداليت داراي تفاوت‌هاي بسيار ظريفي در نظم جهت دار پيوندهايشان در مقايسه با الماس هستند كه از اين رو اين امر مي‌تواند دليلي بر واكنش ساختاري منحصر به فرد آنها باشد.
تحت فشارهاي تراكمي شديد w-BN در مقايسه با استحكام خود قبل از جابه‌جايي ناگهاني پيوندهايش (bond-flipping)، را تا 78 درصد افزايش مي‌دهد. دانشمندان محاسبه كردند كه نيتريد بور ورتزيد به استحكام فروشوندگي 114 گيگاپاسكال (ميليارد پاسكال) دست مي‌يابد، در حالي كه الماس تحت همان شرايط بار فرورونده تنها مي‌تواند 97 گيگا پاسكال را تحمل كند.
همچنين در مورد لونسداليت مكانيزم تراكمي مشابهي موجب جابه جايي ناگهاني پيوندهايش مي‌شود و استحكام تسليم در برابر جسم فرو شونده آن به 152 گيگاپاسكال مي‌رسد كه 58 درصد بالاتر از مقدار نظير الماس است.
لونسداليت حتي سخت‌تر از w-BN است زيرا لونسداليت از اتم‌هاي كربن ساخته شده اما w-BN شامل اتم‌هاي بور و هيدروژن است. پيوندهاي بين كربن ـ كربن در لونسداليت قوي‌تر از پيوندهاي بور ـ نيتروژن در w-BN است. همچنين اين امر دليلي است كه چرا الماس (با يك ساختار مكعبي) مستحكم‌تر از نيتريد بور مكعبي (c-BN) است. در سال‌هاي اخير هيچ‌گاه محاسبات اصول ابتدايي تنش برشي ايده‌آل كريستال‌ها، شامل فشارهاي تراكمي نرمال تخت يك جسم فرو رونده نمي‌شدند، اما پيشرفت‌هاي اخير امكان انجام تحقيقات را بر روي تاثيرات اين فشارها امكان‌پذير ساختند، كه نتيجه آن اكتشافات غافلگير كننده‌اي مانند اين مواد فوق مستحكم است. هم‌اكنون، در كاربرد w-BN و لونسداليت زماني با چالش روبه‌رو خواهيم شد كه بدانيم اين دو ماده در مقادير زياد به سختي تركيب مي‌شوند.
به هر حال، ديگر مطالعات اخير در اين زمينه روش‌هايي را نيز براي توليد نانو كامپوزيت‌هاي w-BN و c-BN ابداع كرده‌اند كه مي‌تواند راهي را نيز براي تشكيل نانوكامپوزيت‌هاي حاوي لونسداليت و الماس پيشنهاد كند. علاوه بر اين، با نگاه بر مكانيزم اتمي زيرلايه‌اي كه مي‌تواند در استحكام بخشيدن به برخي از مواد موثر باشد، اين كار مي‌تواند موجب ابداع روش‌هاي جديد براي طراحي مواد فوق مستحكم شود. مواد فوق سخت كه خواص عالي ديگري را نيز ارائه مي‌دهند براي كاربردهايي در بسياري از رشته‌هاي علمي و تكنولوژي‌هاي جديد مناسب و مطلوب هستند.
سختي بالا تنها يكي از خصوصيات مهم مواد فوق مستحكم است. زماني كه بسياري از مواد فوق سخت نيازمند استقامت زياد در محيط‌هايي با دماهاي بالا مانند ابزار برشكاري و تراشكاري و با پوشش‌هاي مقاوم در برابر خوردگي، خستگي و سايش در كاربردهايي از فرآيندهاي الكترونيكي نانو و ميكرو گرفته تا تكنولوژي‌هاي فضايي، قابليت‌هاي حرارتي نيز به عنوان يكي ديگر از فاكتورهاي كليدي اين مواد مطرح است. براي تمامي مواد فوق مستحكم پايه كربني از قبيل الماس، در دماهاي بالا (درحدود 600 درجه سانتيگراد) اتم‌هاي كربن با اتم‌هاي اكسيژن واكنش مي‌دهند و تبديل به يك ماده ناپايدار مي‌شوند. چنين طراحي جديدي در مواد فوق مستحكم داراي پايداري حرارتي بالاتر، براي ابزارهاي مورد استفاده در دماهاي بالا بسيار تعيين‌كننده است. علاوه بر اين از آنجايي كه اكثر مواد فوق سخت از قبيل الماس و C-BN )نيتريد بور مكعبي) جزو مواد نيمه رسانا محسوب مي‌شوند، اين امر بسيار خوشايند است كه بتوان ماده فوق مستحكمي را ابداع كرد كه رسانا يا فوق رسانا باشد. علاوه بر اين، مواد فوق سخت مغناطيسي از اجزاي كليدي و مهم در بسياري از تجهيزات ثبت و ضبط اطلاعات هستند.


الماس
الماس همان كربن معمولي است كه در فشرده‌ترين حالت ممكن قرار مي‌گيرد. كربن، يكي از معمولي‌ترين عناصر جهان است و در تمام كيهان مي‌توان ردي از آن پيدا كرد. كربن همچنين يكي از چهار عنصر اصلي براي پيدايش و ادامه حيات است. ۱۸ درصد بدن از كربن تشكيل شده است. هوايي هم كه تنفس مي‌كنيم حاوي دي اكسيد كربن است و بيشتر مواد غذايي تركيبات كربن دارند. در حالت خالص كربن معمولا در ۳ شكل يافت مي‌شود:
ـ الماس: كه يك بلور شفاف و بسيار سخت است.
ـ گرافيت: ماده‌اي معدني كه از كربن خالص تهيه مي‌شود و بسيار نرم و سياه رنگ است. ساختار مولكولي آن به فشردگي الماس نيست و به همين دليل از الماس ضعيف‌تر است.
ـ فولريت: جديدترين شكل مولكول كربن كه ۱۳ سال از شناخته شدن آن مي‌گذرد. اين ماده معدني دقيقا از ۶۰ اتم كربن تشكيل شده است كه يك كره كامل را شكل مي‌دهند.
الماس در حدود ۱۶۰ كيلومتري زير پوسته زمين.
درون صخره‌هاي مذاب جبه تشكيل مي‌شوند. در اين بخش از زمين فشار و حرارت به قدري است كه فرآيند تبديل كردن به الماس مي‌تواند صورت پذيرد. حداقل شرايط اين فرآيند. دماي ۴۰۰ درجه سانتيگراد و فشار ۳۰ هزار اتمسفر (هر اتمسفر فشار هوا در سطح دريا است) است. اندكي پايين‌تر از اين شرايط، گرافيت توليد مي‌شود. شرايط توليد الماس در عمق ۱۵۰ كيلومتري زير پوسته زمين مهياست، جايي كه فشار به ۵۰ هزار اتمسفر و دما به ۱۲۰۰ درجه سانتيگراد مي‌رسد.
فوران‌هاي قوي گدازه‌اي، اين الماس‌ها را به سطح زمين آورده و آنها مجراهاي كيمبرليت را تشكيل دادند (كيمبرليت نام مكاني در آفريقاي‌جنوبي است كه اين مجراها براي نخستين بار در آن كشف شد) بسياري از اين فوران‌ها در فاصله يك ميليارد تا ۲۰ ميليون سال پيش صورت گرفت.
اين جريان‌هاي گدازه‌اي كه به مراتب از فوران‌هاي آتشفشاني امروز شديدتر بودند و از اعماق بيشتري سرچشمه گرفتند، درون اين مجراهاي كيمبرليت سرد شدند و رگه‌هاي مخروطي شكل صخره‌اي كيمبرليت را تشكيل دادند كه الماس‌ها را نيز در برداشت. كيمبرليت صخره آبي رنگي است كه معدنچيان الماس آن را جست‌وجو مي‌كنند. سطح اين مجراهاي كيمبرليت از ۲ تا ۱۴۶ هكتار است. در بستر رودخانه‌ها هم مي‌توان الماس پيدا كرد. اين مناطق را نواحي الماس آبرفتي مي‌نامند. در واقع منشاء اين الماس‌ها نيز همان مجراي كيمبرليت است. اما مجموعه‌اي از فعاليت‌هاي جغرافيايي موجب شد آنها از مكان خود حركت كنند و به سطح زمين برسند. امروزه در كشورهاي استراليا، بروئني، برزيل، روسيه، و برخي كشورهاي آفريقايي مانند آفريقاي‌جنوبي و كنگو معادن الماس مشغول به كار است.
الماسي كه از معدن به دست مي‌آيد سطحي ناهموار و خشن دارد و براي تبديل شدن به يك (يا چند) قطعه جواهر با ارزش بايد بريده شده و صيقل داده شود.

سختي الماس
در الماس، اتم‌هاي كربن در يك ساختار مشبك قرار دارند. بدين شكل كه هر اتم الكترون‌هاي خود را با ۴ اتم ديگر به اشتراك مي‌گذارد و يك واحد ۴ وجهي را تشكيل مي‌دهد. اين مجموعه ۴ وجهي كه از ۵ مولكول تشكيل شده است يك مولكول فوق‌العاده قوي را تشكيل مي‌دهد. اما هر ۵ اتم مجاور مي‌توانند چنين شبكه‌اي را تشكيل دهند. به همين دليل، بلور الماس تا بدين حد مستحكم است. اما در گرافيت، اتم‌هاي كربن در يك حلقه به يكديگر متصل مي‌شوند؛ يعني هر اتم فقط به يك اتم ديگر متصل است و به همين دليل آن قدر نرم است. زغال و مغز مداد، نمونه‌هاي بارز گرافيت هستند.
معيارهاي برتري الماس
زيبايي يك الماس براساس معيارهاي مختلفي مورد قضاوت قرار مي‌گيرد. بسياري از الماس‌ها هرگز به ويترين جواهرفروشي‌ها نمي‌رسند، زيرا بيش از اندازه معيوبند. آنها را معمولا براي مصارف صنعتي استفاده مي‌كنند. مثلا در لبه‌هاي دريل‌هايي كه در معادن الماس كاربرد دارند و يا در تراش و برش ديگر الماس‌هاي خام. چهار معيار مهم براي تعيين زيبايي الماس مورد استفاده قرار مي‌گيرد:
ـ برش: اين خصوصيت به چگونگي برش الماس و خصوصيات هندسي آن بازمي‌گردد. هنگامي كه الماس برش مي‌خورد. برش‌هاي مختلف آن به وجود مي‌آيد و شكل نهايي الماس تعيين مي‌شود.
ـ صافي: اين خصلت، معياري از ترك‌هاي الماس است، يا ديگر اجرامي كه ممكن است درون آن ديده شوند. درجه‌بندي صافي از بدون ترك آغاز مي‌شود و سپس به بسيار بسيار ناچيز و تا حدودي ناخالص نزول مي‌كند.
ـ قيراط: قيراط واحد وزن الماس است. هر قيراط در حدود ۲۰۰ ميليگرم است.
ـ رنگ: درخصوص الماس‌هاي شفاف، مقياس رنگ از D تا Z تغيير مي‌كند. بدين ترتيب كه از سفيد يخي شروع مي‌شود كه رنگ بيشتر الماس‌هاي گران قيمت است و به زرد روشن خاتمه مي‌يابد. ديگر معيار‌هاي ارزيابي الماس عبارتند از: شفافيت، درخشندگي و پراكندگي نور. الماسي كه صددرصد كربن باشد، كاملا شفاف خواهد بود اما معمولا الماس‌ها عناصر ديگري نيز دارند كه بر رنگ آن‌ها تاثير مي‌گذارد. از اينها گذشته الماس‌هاي آبي، قرمز، سياه، صورتي، بنفش و سبز تيره نيز وجود دارند كه بسيار بسيار نادر هستند.
چرا الماس تا بدين حد درخشان است
الماس فشرده‌ترين ماده شفاف جهان است كه تاكنون شناخته شده است. ضريب شكست آن 12/2 است . يعني سرعت نور درون آن كمتر از نصف سرعت معمولي خود مي‌شود اما همين فشردگي است كه باعث مي‌شود الماس درخشنده‌ترين جسم شفاف باشد و برق بزند. چون سطح الماس با يكديگر زاويه‌هاي بزرگي مي‌سازند. بنابراين وقتي پرتويي از يكي از آنها وارد مي‌شود. چند بار بازتاب مي‌شود.
كريستال‌هاي كربن كشف شده در شهاب سنگ فنلاندي
شايد الماس هنوز به عنوان يك ماده زينتي بر روي حلقه‌هاي ازدواج، يك هديه براي روز تولد و يا تزئين مجسمه‌هاي تاريخي به كار رود اما اين ماده كه روزي به عنوان پادشاه سختي در بين مواد شناخته شده هستي مطرح بود در حال حاضر عناوين خود را از دست داده است.
هم‌اكنون اين عنوان برازنده تركيبات كربني اسرارآميزي است كه در يك شهاب سنگ يافت شده در فنلاند كشف شده است.
پروفسور تريستان فروير از دانشگاه ليون فرانسه در يكي از مجلات معتبر علمي گزارشي را ارائه كرد كه در آن اظهار داشت كه تيم وي موفق به كشف دو ماده جديد حتي سخت‌تر از سنگ‌هاي قبلي شده است.
پروفسور فروير مي‌گويد: زماني كه يك چرخ سنباده پوشش داده شده با الماس بر روي مواد بدست آمده از يك شهاب سنگ سقوط كرده به زمين آزمايش كرديم به نتايج غيرقابل باوري دست يافتيم. فروير دانه‌هاي كربن سوخته شده توسط حرارت ناشي از ورود به جو زمين را در اين شهاب سنگ پيدا كرد كه قبلا در برابر دانه‌هاي سنگ سنباده الماس مقاومت از خود نشان داده بودند، اما اين مقاومت تنها در يك جهت بوده است. اين مواد معدني جديد نخستين موادي هستند كه به صورت يكنواخت و در تمامي جهات در برابر سنباده الماس از خود مقاومت نشان مي‌دهند.
دانشمندان با وجود مقادير كم هر يك از اين دو ماده معدني تاكنون موفق به سنجش قدرت واقعي اين مواد نشده‌اند. همه ما مي‌توانيم درباره محدوديت‌هاي سختي اين مواد بيانديشيم و اميدواريم كه آنها به همان استحكامي باشند كه ما فكر مي‌كنيم.
يكي از اين دو ماده نوعي الماس است كه محققان طي دهه‌هاي گذشته وجود آن را پيش‌بيني كرده بودند اما هرگز در طبيعت مشاهده نشده بود. ماده ديگر ماده‌اي كاملا جديد است كه از صفحات مذاب گرافيت در ساختاري مشابه ساختار به وجود آورنده الماس‌هاي مصنوعي تشكيل شده است.
فروير در ادامه افزود: تنها دليلي كه ما براي اثبات اين ادعاي خود كه اين مواد سخت‌تر از الماس است، داريم، اين حقيقت است كه ما بخشي از اين سنگ آسماني را با يك خمير الماسه پرداخت كرديم، اما بخش چندريختي و چندگونه را نتوانستيم به وسيله اين مواد پرداخت كنيم. اين امر تنها دليل ما براي سخت بودن اين مواد نسبت به الماس است.

منبع:پايگاه داده هاي علوم زمين