В детстве мне попалась история про алмаз Низама. Большой индийский камень, гордость хайдарабадского двора. И якобы один ювелир, чтобы проверить, настоящий ли он, ударил по нему сверху другим камнем. А алмаз взял и раскололся.

Фразу из той статьи я запомнил дословно: «Он перепутал твердость с хрупкостью».

Я перечитал ее несколько раз. А разве это не одно и то же? К сожалению, в моем детстве не было Интернета и тогда я не смог найти ответа на этот вопрос. 

Но, спустя годы, я снова вспомнил эту историю и мне стало интересно с ней разобраться. Я погрузился в изучение вопроса. Почему же алмаз так легко разбить, ведь если что-то твердое — оно же должно быть и прочным? Логично ведь.

Нет, не логично.

Алмаз и правда твердый. Самый твердый минерал из тех, что встречаются в природе. И при этом он хрупкий — расколоть его проще, чем кажется. Две эти вещи прекрасно живут в одном камне и друг другу не мешают. Просто слова «твердый» и «хрупкий» в обиходе мы употребляем как антонимы одного и того же. А в материаловедении это два разных свойства, и измеряются они по-разному.

Насколько правдива сама байка про ювелира — отдельный вопрос. Алмаз Низама существовал, это факт, и по описаниям у него действительно был скол на плоскости. А вот сцена с ударом сверху вызывает сомнения. Но что бы там реально не приключилось, легенда отлично показывает физику твердости/хрупкости. И сейчас мы с ней разберемся.

Царапина против удара

Давайте возьмем два простых действия. Первое — проведем по поверхности чем-то острым, попытаемся оставить царапину. Второе — стукнем, попытаемся расколоть.

Это два совершенно разных воздействия на материал. И сопротивляется им материал тоже по-разному.

Сопротивление царапине и вдавливанию — это твердость. Грубо говоря, насколько трудно продавить или процарапать поверхность. 

Сопротивление раскалыванию, трещине, удару — это уже совсем другое свойство. В русском его обычно называют вязкостью разрушения, хотя слово «вязкость» тут сбивает с толку. По-простому — это насколько трудно расколоть.

Вот вам пара бытовых примеров для понимания. Стекло в окне поцарапать ногтем почти невозможно — твердость приличная, ноготь мягче стекла. А уронить и расколоть — легко, само разлетится. Стекло твердое, но хрупкое, не вязкое.

А теперь свинцовый брусок. Его ноготь почти царапает, он совсем мягкий. Но попробуйте расколоть свинец молотком. Не выйдет, брусок просто помнется в лепешку. Свинец мягкий, но вязкий.

Видите, в чем фокус? Твердость и хрупкость – это разные понятия. Бывает твердое и хрупкое (стекло, керамика, тот самый алмаз). Бывает мягкое и вязкое (свинец, медь, пластилин). Твердое не антоним хрупкого, оба эти свойства могут быть в одном материале.

Алмаз — чемпион по первому свойству и довольно средний по второму. Но в восприятии большинства эти понятия перемешаны. Давайте чуть глубже погрузимся в технику и поймем, как это работает не только на бытовых примерах. 

Лесенка Мооса и ее кривая ступенька

Немецкий минералог Фридрих Моос известен своей шкалой минералогической же твердости. В 1812 году он предложил потрясающе простую вещь: берем минералы и царапаем один другим. Что чем царапается — то и мягче. 

Проведя множество нехитрых опытов, Моос выстроил десять эталонных минералов от мягкого к твердому. Единице соответствовал тальк, который крошится под ногтем. Десятке – алмаз.

Шкала Мооса до сих пор в ходу у геологов именно потому, что для нее не нужно ничего, кроме набора камешков и желания поцарапать. Выглядит она так:

Абсолютная твердость – это уже не условный, а вполне конкретный параметр. Ее измеряют по специальной методике в лаборатории. И если вы внимательно посмотрите на цифры и график, то поймете, что шкала нелинейная.

Расстояние от девятки до десятки — самое большое на всей лесенке. Алмаз тверже корунда не на одну условную ступеньку, а в несколько раз. И каждый из этих разов как две твердости топаза. По сути, между «девяткой» и «десяткой» пропасть, а не шажок.

Этими фактами я хочу закрепить у вас понимание – алмаз не просто твердый минерал. Он чертовски, мега, супер, невероятно твердый. Именно поэтому из него делают не только бриллианты, но и стеклорезы со сверлами. А кольцом с бриллиантом реально вырезать дырку в оконном стекле, как было в каком-то фильме.

И все-таки. Как такая твердыня умудряется быть хрупкой?

Почему он вообще такой 

Тут пора заглянуть внутрь камня.

Алмаз — это чистый углерод. Тот же самый углерод, что и в графите карандашного грифеля, саже или угле. Разница только в том, как атомы расставлены и какие между ними связи.

В графите атомы углерода лежат плоскими слоями, и слои эти держатся друг за друга слабенько. Поэтому грифель и пишет, слои крошатся на бумагу один за другим. А в алмазе каждый атом углерода намертво схватился с четырьмя соседями, и те — со своими четырьмя, и так на весь кристалл. Получается сплошная объемная сетка, где каждый связан с каждым. Никаких слабых слоев, никаких отдельных молекул — весь камень, по сути, одна гигантская молекула.

Связь между атомами тут ковалентная и очень короткая. Напомню, что ковалентная – это когда два атома делят общую пару электронов — по одному от каждого. Представьте сваренный стык: два атома не просто держатся, они жестко зафиксированы под строго определенным углом друг к другу. Сдвинуть один атом относительно другого почти невозможно — вся решетка этому сопротивляется всем своим объемом.

Вот это и есть твердость. Когда вы давите на алмаз острым предметом, пытаясь продавить ямку, вам нужно сдвинуть атомы с их мест. А они сидят в этой жесткой сетке так плотно, что сдвигаться им просто некуда. Решетка не дает. Поэтому продавить алмаз нечем — нет на Земле природного материала, который мог бы вдавить в него ямку.

Для сравнения: в металле все устроено мягче и хитрее. Там атомы плавают в общем «облаке» свободных электронов, и слои атомов могут проскальзывать друг по другу, как карты в колоде. Поэтому металл гнется, тянется, мнется. Поэтому из него можно ковать. У алмаза такого проскальзывания нет вообще. Скользить нечему.

Но! Та же сетка делает его хрупким.

Смотрите, что происходит, когда вы металл бьете слишком сильно. Слои атомов начинают проскальзывать, металл в месте удара течет, мнется, гнется — и таким образом съедает энергию удара. Размазывает ее по объему. Это и называется вязкостью: способность поглотить удар деформацией, не разрушаясь. Согнулось, но не сломалось.

У алмаза этого предохранителя нет. Скользить слоям нельзя, течь нельзя, гнуться нельзя — решетка слишком жесткая. И когда удар приносит больше энергии, чем связи могут удержать, выхода у камня ровно один: связи рвутся. Не гнется — значит, трескается. А раз начавшись, трещина по этой идеально регулярной решетке бежит дальше уже сама.

Получается обидный парадокс. То, что делает алмаз твердым (жесткость связей, невозможность сдвига), ровно то же делает его хрупким (некуда девать энергию удара, кроме как в трещину). Это две стороны одной медали.

Если перевести в цифры, то есть такая характеристика, вязкость разрушения, она показывает, насколько трудно прогнать по материалу трещину. Ее еще называют трещиностойкость и измеряют в мегапаскалях, умноженных на корень из метра. 

У оконного стекла вязкость разрушения совсем маленькая, около единицы. У монокристалла алмаза — где-то от трех до пяти. То есть алмаз раза в три-четыре крепче стекла, расколоть его все же труднее. А вот у обычной конструкционной стали эта величина — десятки, а у вязких сталей и за сотню переваливает.

Вдумайтесь: самый твердый материал на планете по стойкости к расколу проигрывает рядовой железке в десятки раз. Молотком из инструментального ящика алмаз можно расколоть, а сам молоток — нет.

Как разрушить твердыню

Хорошо, нам стало чуть понятней с хрупкостью. Но появился новый вопрос. А как вообще из алмаза можно сделать хоть что-то? Чем можно разрезать самый прочный в мире минерал, придать ему нужную форму? Бить мощным прессом, чтобы камень рассыпался? 

Нет. У алмаза есть отдельная особенность, из-за которой его история в ювелирном деле и технике вообще стала возможной.

Кристалл алмаза — это строгий паттерн. Атомы составляют один и тот же повторяющийся узор, как кирпичи в идеальной кладке. И в этой упорядоченности есть направления, по которым атомы держатся друг за друга слабее: связей через такую плоскость проходит меньше, чем через любую другую. Это называется плоскостями спайности. У алмаза они лежат параллельно граням октаэдра. По сути это швы камня, по которым он расходится лучше всего.

Бытовая аналогия — поленья. Вы же не рубите дрова поперек волокон, если хотите расколоть полено? Бьете вдоль. Топор идет по волокну, как по маслу. А поперек замучаешься. У дерева волокна, у алмаза — плоскости спайности. Принцип один: вдоль шва раскол идет легко, поперек — туго.

Вернемся к истории из начала. Трудно сказать, была ли она на самом деле, но если предположить ее правдивость, то было примерно так. Наш ювелир нанес удар по камню и удар случайно совпал с плоскостью спайности — камень разошелся ровно по шву, чисто, почти без усилия. Именно потому что его ударили в его слабое место, по линии наименьшего сопротивления. Угадал с направлением — расколол. Промахнулся бы на пару градусов — может, алмаз бы удар и выдержал. Или нет.

И это следующий интересный вопрос. А что вообще происходит с алмазом при достаточно мощном ударе, но мимо плоскостей спайности? Он бьется как стекло?

Ну… отчасти. При сильном ударе мимо плоскости спайности трещина не имеет готовой дорожки и идет куда придется. Это будет выглядеть как раскол кремния или стекла. Поверхность скола получается не плоская, а раковистая — изогнутая, в виде вложенных дуг, будто отщелкнули чешуйку. У геологов это так и называется — раковистый излом. Любой, кто видел скол бутылочного стекла или скол кремневого наконечника, представляет картину.

Что именно произойдет на практике — зависит от того, насколько сильно нанесен удар и куда. 

Слабее — отколется уголок или кусочек ребра. Углы и грани у камня всегда самое уязвимое: там напряжение собирается в точку. Поэтому бриллианты с острыми углами скалываются чаще круглых — кончик ловит весь удар на себя.

Сильнее — камень пойдет трещинами и может разлететься на несколько неровных осколков. Не помнется и не сплющится, ведь мы же помним, что алмаз этого не умеет.

Только трескаться. Причем трескается он охотно: алмаз очень жесткий, поэтому раскалывается резко, иногда с щелчком, и трещина норовит разветвиться.

Есть еще нюанс. Даже промахнувшись мимо плоскости, бегущая трещина часто пытается перескочить на ближайшую плоскость спайности — так ей легче. Из-за этого излом нередко получается ступенчатым: кусок раковистой поверхности, потом площадочка, потом снова дуга.

Куллинан и обморок Асшера

Самую известную демонстрацию этой хрупкости устроили не случайно, а нарочно — и под прицелом всей мировой прессы.

В 1905 году на руднике Премьер под Преторией нашли алмаз чудовищного размера — 3106 карат, чуть больше полукилограмма. Назвали Куллинаном, по фамилии владельца рудника. Камень подарили британскому королю Эдуарду VII. И встал вопрос: что с этой глыбой делать. 

Целиком гранить такой алмаз смысла не было. Дело в том, что внутри камней подобного размера чаще всего есть трещины и включения. Большое число карат далеко не всегда коррелирует с ценностью и деньгами, именно из-за подобных проблем. Нередко большие алмазы разделяют на много мелких. Так же было и с Куллинаном. Решили раскалывать.

Доверили дело Йозефу Асшеру, гранильщику из Амстердама, одному из лучших в мире на тот момент. И вот тут начинается то, ради чего я вообще про Куллинан вспомнил.

Асшер изучал камень не один месяц. Высматривал, где внутри проходят трещины, как лежат плоскости спайности, куда нужно ударить, чтобы камень развалился именно так, как задумано, а не рассыпался в крошку. Сделал на алмазе аккуратный надрез, на одну только эту насечку ушло несколько дней. Вставил в надрез специальный стальной клин. И ударил.

Клин сломался, камень нет.

По легенде, Асшер на этом месте чуть не упал в обморок. Насколько это правда — трудно сказать. Но клин действительно сломался на первой попытке — это есть в нескольких независимых описаниях.

Асшер заказал инструмент покрепче, выждал и через несколько дней ударил снова. На этот раз Куллинан раскололся надвое — ровно по плану, вдоль нужной плоскости.

И вот что я хочу здесь подчеркнуть. Вся работа Асшера — это месяцы расчета, куда именно должен прийтись удар, чтобы самое слабое место камня сработало в нужную сторону. Управляемый раскол по плоскости спайности — это, по сути, единственный способ, которым большие алмазы делили на части до того, как появились алмазные пилы и лазеры.

Тот же самый эффект, что погубил камень Низама в руках растяпы, в руках мастера сделал из крупнейшего алмаза в истории части для коронных регалий. Разница только в том, знаешь ли ты, куда бить.

Алмазный пожар

Мы разобрались, что продавить алмаз нечем, только колоть. Но есть ещё один способ уничтожить его начисто — без молотка и клина. Можно просто поджечь.

Звучит дико, но вспомните, из чего алмаз сделан. Чистый углерод. Тот же самый, что в угле и саже. А уголь, как известно, прекрасно горит. Значит, и алмаз — тоже. Еще в 1772 году Антуан Лавуазье собрал здоровенную линзу, поймал ею солнечный луч, навел на бриллиант — и тот сгорел дотла, превратившись в углекислый газ. Так заодно и доказали, что алмаз и уголь — одно и то же вещество, просто по-разному собранное.

На воздухе поверхность алмаза начинает окисляться примерно от 600–700 градусов. Зажигалкой или ювелирной горелкой его, правда, так просто не возьмешь: алмаз бешено проводит тепло и растаскивает жар от точки нагрева быстрее, чем тот успевает накопиться. 

А вот в струе чистого кислорода камень разгорается охотно — тлеет красноватым, как уголек, и исчезает целиком. Ни осколка, ни пепла, ни даже крошки. Только газ. Самая твердая вещь на планете уходит в воздух без следа — и это, пожалуй, единственный способ разрушить алмаз, после которого не остаётся вообще ничего.

Гладкая твердыня

Ладно, с разрушением закончили — и силой, и расчетом по плоскости спайности, и даже огнем. А как алмаз шлифуют и гранят? Ведь тут уже включается та самая твердость – снять шероховатость надо чем-то, что будет крепче алмазной грани. А такого инструмента, вроде бы, не существует. 

Но и здесь есть небольшая хитрость. 

Алмаз твердый не одинаково во все стороны. Его твердость зависит от направления — по одним направлениям кристалл заметно тверже, по другим заметно мягче. Это называется анизотропией. Та самая регулярная решетка, из-за которой есть плоскости спайности, заодно делает камень неоднородным: с одной грани его почти не сошлифуешь, а с другой — поддается.

И ровно на этом держится весь фокус огранки. Гранильщик ориентирует камень так, чтобы тереть его «твердым» направлением о «мягкое» направление другого алмаза (или алмазного порошка на круге). Грубо говоря, один алмаз подставляет крепкую сторону, а обрабатываемый — слабую. И крепкая потихоньку стачивает слабую.

Получается забавно. Алмаз можно обработать только алмазом — и только потому, что алмаз не одинаково твердый. Будь он идеально однородным по всем направлениям, гранить его было бы попросту нечем. Огранка существует благодаря тому, что у самого твердого камня есть направления послабее.

Октаэдрические грани (те самые, вдоль которых идет спайность) — самые твердые и шлифуются хуже всего. Мастера называют такие места «упрямыми». А кубические грани поддаются легче. Хороший огранщик чистит камень комплексно: где сколется, где сточится.

Скрытый текст

Все написанное выше справедливо для классической обработки, в большей степени тут речь про ювелирное дело. Но уже несколько десятков лет есть и более технологичные решения: лазеры, химико-механическая полировка, плазменные методы. Там совсем иная физика процесса и в этой статье я решил ее не затрагивать, чтобы совсем не раздувать объем.

Алмазный бур

Теперь от ювелирки к работе погрубее — к сверлам, дискам, буровым коронкам.

Казалось бы, если хочешь сверло, которое грызет гранит и бетон, делай его целиком из прочного камня. Логично же? Вопрос стоимости такой оснастки пока оставим за скобками и прикинем, какие чудеса можно сделать с полностью алмазным сверлом. Не будем забывать, что это еще и красиво.

Но нет. Сплошной алмазный диск раскрошился бы на первой серьезной нагрузке и мы только что разобрались почему. Удар, вибрация, перекос — и хрупкий камень дает трещину.

Поэтому делают иначе. Берут алмазную крошку и замешивают ее в связку из относительно мягкого и вязкого материала — спеченного металлического порошка, бронзы, специальной матрицы. Алмазные зерна торчат из этой связки наружу и делают всю режущую работу. А мягкая связка держит их, гасит удары, не дает сколам разбежаться. Когда верхнее зерно сточилось или выкрошилось — мягкая связка истирается следом и оголяет свежее зерно под ним. Инструмент самозатачивается.

Твердость — от алмаза. Пластичность — от мягкой оправы. Каждый делает то, что умеет.

Сталь против алмаза

Нельзя не упомянуть одну слабость нашего чемпиона по твердости. Кажется: раз уж алмаз грызёт гранит и бетон, то обычную стальную железку он должен щёлкать как орех — она же мягче камня. Логично?

Опять нет.

Алмазным инструментом сталь на рабочих скоростях не режут вообще. И дело не в твердости — тут как раз всё в порядке. Дело в химии. На режущей кромке температура подскакивает до сотен градусов, а железо к углероду неравнодушно: оно тянет его в себя, как губка воду. И алмаз, который весь целиком — чистый углерод, начинает попросту растворяться в раскаленной стали и графитизироваться прямо на кромке. Не стачивается, не скалывается — химически тает. Самый твёрдый материал планеты «сгорает» в обычной железке, толком не успев ее поцарапать.

Поэтому, когда нужно обрабатывать каленую сталь, в ход идёт не алмаз, а его младший брат — кубический нитрид бора, КНБ. Он второй по твердости после алмаза, заметно ему уступает, зато к железу абсолютно равнодушен и кромку не отдаёт. 

Такие вот нюансы.

Твердость по Роквеллу

И все-таки алмаз — это вообще символ твёрдости. И есть еще одна интересная область, где его используют именно за это.

Чтобы измерить твердость стали, ее надо продавить чем-то заведомо более твердым и посмотреть, насколько глубоко продавилось. Чем мельче вмятина — тем сталь тверже. А чем продавливать-то? Нужен наконечник из чего-то очень-очень...

Короче, догадайтесь, из чего его делают.

В методе Роквелла, которым твердость измеряют на каждом втором заводе мира, в сталь вдавливают алмазный конус. Делают это под нагрузкой, и потом смотрят глубину отпечатка. У хорошо закаленной подшипниковой стали алмаз оставляет вмятину меньше одной сотой миллиметра — вот настолько она твердая. И вот настолько алмаз тверже ее, что даже не замечает контакта.

Кажется, что это логично. Самый твердый материал на планете в итоге выступает эталоном для всех остальных.

Одиннадцатая ступень

Долго считалось, что алмаз — абсолютный потолок твердости. Сейчас это не так. Нет-нет, условную одиннадцатую ступень в шкале Мооса заняла не борода покойного Чака Норриса. 

В лабораториях смогли получить формы углерода со специальной нанодвойниковой структурой, у которых, по опубликованным данным, твердость вышла выше, чем у природного алмаза. При этом они оказались еще и менее хрупкими. Звучит как чит — обойти ту самую расплату «твердость за хрупкость». Но тут я бы не спешил с выводами: это пока лабораторные образцы и отдельные измерения. До бруска в магазине инструментов этому еще далеко. 

Заключение

Давайте подытожим.

Твердость — это про царапину и вдавливание, про поверхность. 

Хрупкость — это про удар и трещину, про то, развалится камень или нет. 

У алмаза первое доведено до абсолюта, а второе — так себе, среднее. И виновата в обоих случаях одна и та же жесткая ковалентная решетка: она же не дает его продавить, она же не умеет гасить удар.

А плоскости спайности — это уже бонусом, отдельные «швы», по которым он расходится особенно хорошо. Угадал (или просчитал) направление — расколол с одного щелчка.

Так что детская фраза, которую я запомнил, оказалась абсолютной правдой. Ювелир действительно перепутал твердость с хрупкостью. Жалко алмаз, конечно. Хотя, если байка врет, может, и обошлось.

---

Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.