En sert maddeden bahsettiğimizi söylemek muhtemelen çoğu insanın “elmas” demesine yol açacaktır, ancak bu serideki birçok soru gibi, cevap da hafızanızın size söylediği kadar basit değil. Yüzyıllar boyunca elmaslar sert bir malzemenin simgesi ve hatta tanımı olmuştur. Artık bunların aşıldığını söyleyebiliriz ama hikaye basit değil. 1812 yılında Friedrich Mohs malzemelerin sertliğini ölçen bir ölçek oluşturmak istedi.
Mohs’un maddelerin basınç altında deforme olma derecesini ölçmenin bir yolu olmadığından başlangıç noktası olarak talkı kullandı ve onu bu şekilde tanımladı. Bildiği en sert mineral olan elmasları 10’a sıraladı ve geri kalan her şeyi bu arada bıraktı. Sertlik, iddia edilen bir değerli taşın camı çizip çizemeyeceğini kontrol ederek orijinalliğini belirleyen ünlü (ancak güvenilmez) testte olduğu gibi, bir malzemenin başka bir malzeme üzerinde görünür çizikler bırakma kabiliyetine göre değerlendirildi.
Moh ölçeğinin, ara maddelere atadığı değerlerin doğrusal olmaması da dahil olmak üzere kendi sorunları vardı. Ancak yine de bazı amaçlarla kullanılmaktadır. Saha jeologları, test ekipmanına erişim olmadan bilinmeyen kayaları tanımlamanın yararlı olduğunu düşünüyor. Mohs ölçeğinin eksiklikleri nedeniyle, sayısal hassasiyetle diğer sertlik ölçümleri uygulamaya konuldu. Örneğin Vickers sertlik ölçeği, bir malzemenin deforme olmadan dayanabileceği yükü ölçer. Ancak elmaslar, kullanılan ölçekten bağımsız olarak başlangıçta en sert madde olarak kaldı.
Aslında Vickers testi, test maddesine bastırılan piramit şeklindeki bir elmasa büyük bir kuvvet uygulanarak gerçekleştirilir. Diğer değerli taşlardan gelen safsızlıklar nedeniyle kırılmayan dört karbon bağının üstesinden gelmek zordu ve hiçbir şeyin bundan daha zor olamayacağına yaygın olarak inanılıyordu. Bununla birlikte, elmasların farklı türlerde olması ve bazılarının diğerlerinden daha sert olması nedeniyle bunun bile aşırı basitleştirme olduğu kabul edildi.
En sert IIa tipi elmaslar neredeyse hiç yabancı madde içermez. IIa elmasları doğal elmasların yalnızca yüzde 1-2’sini oluştursa da dünyanın en ünlü taşlarının çoğunu içerir. Mümkün olduğu kadar sert olacak şekilde tasarlanan sentetik elmasların çoğu Tip IIa’dır. İnsanlığı memnun etmek nadiren bu kadar kolay olmuştur ve volkanlarda küçük tanecikler halinde oluşan wurtzit bor nitrür (wBN) kristallerinin modellenmesi, elmasın sertliğinin aşılabileceğini göstermektedir. Simülasyonlar her zaman gerçeklikle eşleşmez ve wBN’nin doğal kısımları o kadar küçüktür ki doğrudan test edilemezler.
Periyodik tablodaki karbonun her iki tarafındaki atomların bu kombinasyonunun gerçekten orijinali geçip geçemeyeceği konusunda tartışmalar devam etti. Kimyacılar 2009 yılında büyük miktarlarda wBN üretmeyi başardıklarında bunun Vickers elmaslarından daha az sert olduğunu buldular ancak herkes aynı fikirde değildi. Elmastan daha sert olduğu söylenen bir diğer doğal madde ise lonsdaleittir ancak bu da tartışma konusudur. Lonsdaleite elmas gibi karbondan yapılmıştır ancak kübik yerine altıgen bir yapıya sahiptir.
Arıların peteklerini altıgenlerden yapmalarının bir nedeni var – bu çok kararlı bir şekil – ve teorik olarak lonsdaleitin elmastan yüzde 58 daha sert olması gerekiyor. Bununla birlikte, lonsdaleit doğal olarak yalnızca asteroitler Dünya ile çarpıştığında oluşur. Lonsdaleite sıkıştırılmış asteroit karbonu asla tamamen saf değildir ve diğer elementlerin izleri ürünü zayıflatır. Sonuç olarak, doğal olarak oluşan, elmastan daha sert olan lonsdaleit teorik olarak mevcut olmasına rağmen, kimse onu bulamadı.
2004 yılında grafenin yaratılmasına yol açan laboratuvara dönüp bakmanın zamanı geldi. (Grafen aslında daha önce de yapılmıştı ancak bilim insanları onun ne içerdiğini anlamamıştı.) Grafen, altıgen yapıya sahip karbondan yapılmış olması açısından lonsdaleite benzer, ancak insan yapımı olduğu için saflık sorunları önlenebilir. Ancak tek bir atom katmanından oluşan bir katman olarak bulunur.
Grafen o kadar dikkat çekici bir malzeme ki (mucitleri, keşiflerinden dolayı 2010 Nobel Fizik Ödülü’nü aldılar), diğer özellikleriyle birlikte sertliğinden nadiren bahsediliyor. Ancak teorik olarak elmastan daha serttir. Öte yandan, esas olarak iki boyutlu bir malzeme için sertliğin ne anlama geldiğine dair doğal bir soru ortaya çıkıyor. Karbon nanotüp katmanlarından yapılan Dyneema ve Buckypaper gibi diğer bazı sentetik malzemeler için de iddialarda bulunulmuştur.
Ne yazık ki, hepsi şu anda o kadar küçük miktarlarda mevcut ki, bunlara basitçe Vickers testini uygulamak ve onları en şiddetli olarak adlandırmak pratik değil. Süper sert malzemeler sadece gösteriş yapmak için değil, pratik nedenlerden dolayı da aranıyor. Elmaslar, sert malzemelerin kesilmesini veya parlatılmasını gerektiren birçok endüstride kullanılmaktadır. Daha büyük miktarlarda üretilen daha sert bir malzeme, aynı sonucu daha hızlı elde edebilmesi durumunda büyük değere sahip olabilir. Ancak bu gereklilik henüz karşılanmadığından elmaslar sürücünün en iyi arkadaşı olmaya devam ediyor.
Bu yazı nature adresindeki makaleden derlenmiştir.