Qual è la sostanza più dura dell’universo? Se hai risposto diamanti, allora hai solo parzialmente ragione. I diamanti sono sicuramente tra le sostanze più dure, ma non sono le uniche. La questione è più complessa di quanto si possa pensare.
Come si calcola la durezza?
Per secoli, i diamanti sono stati considerati l’epitome e la definizione stessa di un materiale duro. Nel 1812, Friedrich Mohs ha creato una scala per misurare la durezza delle sostanze. Mohs ha utilizzato il talco come punto di partenza, assegnandogli il valore di uno. I diamanti, la sostanza più dura che conoscesse, sono stati assegnati al valore di dieci. La durezza veniva valutata in base alla capacità di un materiale di creare graffi visibili su un altro, come ad esempio il famoso (ma non affidabile) test per verificare se una pietra preziosa è autentica, verificando se riesce a graffiare il vetro.
La scala di Mohs ha i suoi problemi, tra cui il fatto che i valori assegnati alle sostanze intermedie non sono lineari. Tuttavia, viene ancora utilizzata oggi per alcuni scopi. I geologi di campo la trovano utile per identificare rocce sconosciute senza accesso a strumenti di test.
Altri metodi di calcolo
A causa delle limitazioni della scala di Mohs, sono state introdotte altre misure di durezza più rigorose dal punto di vista numerico. Ad esempio, la scala di durezza Vickers misura il carico che una sostanza può resistere senza deformarsi.
Inizialmente, indipendentemente dalla scala utilizzata, i diamanti sono rimasti la sostanza più dura. Infatti, il test Vickers viene effettuato applicando una grande forza su un diamante a forma di piramide premuto contro la sostanza in esame. I quattro legami di carbonio, non interrotti dalle impurità di altre pietre preziose, erano difficili da superare e si pensava comunemente che nulla potesse essere più duro.
Tuttavia, anche questa affermazione è stata riconosciuta come un’ovversimplificazione, poiché i diamanti si presentano in diversi tipi, alcuni più duri di altri. I diamanti più duri, classificati come Tipo IIa, hanno quasi nessuna impurità. Sebbene i diamanti di tipo IIa costituiscano solo l’1-2% dei diamanti naturali, includono molte delle pietre più famose al mondo. La maggior parte dei diamanti sintetici, progettati per essere il più duri possibile, sono di tipo IIa.
C’è qualcosa più duro dei diamanti?
L’umanità raramente si accontenta facilmente, e le simulazioni di cristalli di nitruro di boro wurtzite (wBN), prodotti in piccoli grani nei vulcani, hanno suggerito che fosse possibile superare la durezza dei diamanti. Tuttavia, le simulazioni non sempre corrispondono alla realtà e i pezzi naturali di wBN sono così piccoli da non poter essere testati direttamente.
La discussione è continuata su questa combinazione di atomi a sinistra e a destra del carbonio nella tavola periodica, che potrebbe superare l’originale. Quando i chimici sono stati in grado di produrre quantità ingenti di wBN nel 2009, hanno scoperto che era meno duro dei diamanti sulla scala di Vickers, ma non tutti sono d’accordo.
Il dibattito continua
Un’altra sostanza naturale che è stata considerata più dura dei diamanti è la lonsdaleite, ma anche questa è oggetto di dibattito. Come i diamanti, la lonsdaleite è composta da carbonio, ma disposto in un modello esagonale anziché cubico. C’è una ragione per cui le api costruiscono il loro alveare con esagoni: è una forma molto resistente. In teoria, la lonsdaleite dovrebbe essere il 58% più dura dei diamanti.
Tuttavia, la lonsdaleite si forma naturalmente solo quando gli asteroidi si schiantano sulla Terra. Il carbonio negli asteroidi che viene compresso in lonsdaleite non è mai perfettamente puro e le tracce di altri elementi indeboliscono il prodotto. Di conseguenza, sebbene in teoria potrebbe esistere qualche lonsdaleite naturale più dura dei diamanti, nessuno l’ha ancora trovata.
Il grafene
È ora il momento di rivolgersi al laboratorio, che nel 2004 ha portato alla produzione di grafene. (In realtà, il grafene è stato prodotto in precedenza, ma gli scienziati non hanno riconosciuto ciò che avevano scoperto). Il grafene assomiglia alla lonsdaleite perché è composto di carbonio con una struttura esagonale, ma essendo artificiale può evitare i problemi di purezza. Tuttavia, esiste solo come fogli di un singolo strato di atomi.
Il grafene è un materiale così meraviglioso – i suoi inventori hanno vinto il Premio Nobel per la Fisica nel 2010 per la sua scoperta – che la sua durezza viene appena menzionata tra le sue altre proprietà. Tuttavia, in teoria, è più duro dei diamanti. D’altra parte, c’è una ragionevole domanda su cosa significhi la durezza per un materiale bidimensionale.
Sono state avanzate anche affermazioni su diversi altri materiali sintetici come Dyneema e Buckypaper, formati da fogli di nanotubi di carbonio. Purtroppo, al momento questi materiali esistono solo in quantità così piccole che non è pratico applicare loro il test di Vickers e dichiarare uno il più duro.
I materiali super duri sono ricercati per motivi pratici, non solo per fare bella figura. I diamanti hanno molte applicazioni industriali che richiedono il taglio o la lucidatura di sostanze dure. Un materiale più duro prodotto in grandi quantità potrebbe avere un valore immenso se potesse ottenere lo stesso risultato più rapidamente. Finora, però, nulla ha soddisfatto questa esigenza, quindi i diamanti rimangono il miglior amico di un meccanico.
