Некоторые кристаллические материалы имеют твердость, различную по разным кристаллографическим направлениям. У кианита, например, твердость 4 в одном направлении и 7 в перпендикулярном (его можно легко поцарапать иглой в направлении, параллельном призме, но это не удастся сделать поперек призмы). Алмаз также имеет анизотропию твердости; диагонали в плоскости, параллельной грани куба, — наиболее «твердое» направление; следующие по твердости — плоскости, параллельные граням октаэдра. Самое «мягкое» направление — плоскость додекаэдра, параллельная оси кристалла. Твердость в направлении диагоналей куба и по додекаэдрическим плоскостям у алмаза может различаться в сто раз (100:1).
Изменения в характере роста кристаллов, способные приводить к образованию двойников (таких, как made в алмазе), усугубляют сложности, которые могут возникнуть при распиливании и полировании поперек границ двойников минералов с анизотропией твердости. Все эти факторы связаны с кристаллографией драгоценных камней и влияют на работу огранщиков, которые должны выбирать оптимальные направления для распиливания и полирования драгоценных камней.
Тот факт, что алмаз, самый твердый из минералов, вообще можно подвергать обработке, объясняется его анизотропией твердости. Алмазный порошок, используемый при распиливании и полировке алмазов, состоит из беспорядочно ориентированных мельчайших алмазных частиц. Из-за беспорядочной ориентации частиц в алмазном порошке режущие края некоторых из них соответствуют направлениям максимальной твердости, в результате чего и становится возможным полирование или распиливание. Огранщик алмазов располагает плоскости граней так, чтобы ни одна из них не лежала в плоскости максимальной твердости. При необходимости он может несколько изменить угол плоскости полирования, с тем чтобы достичь требуемой разницы между направлением твердости алмаза, который он гранит, и алмазного порошка.
Полирование минералов абразивными материалами с твердостью 9 и ниже обычно приводит к появлению поверхности типа «апельсиновой корки». Это связано с анизотропией твердости данного минерала, которая приводит к образованию углублений при полировке более мягких зерен или волокон и в конце концов к пятнистой неровной финишной обработке. Проблема анизотропии твердости у нефрита, жадеита и некоторых других минералов может быть в большой степени решена использованием алмазных порошков в качестве абразивного материала. Повышение скорости обработки при использовании алмазного порошка (а также конкурентоспособные цены абразивного материала из синтетического алмаза) обусловливает его широкое применение огранщиками.
Технические способы определения твердости
Многие технические методы определения твердости были разработаны для металлов. Они основаны на определении силы, требуемой для вдавливания индентора в поверхность металла, и диаметра или глубины полученного отпечатка. Примерами этого способа определения твердости являются методы Бринелля, Виккерса, Роквелла и Кнупа. Хотя эти испытания дают результаты, линейно связанные друг с другом, они не совсем удобны для использования на многих минералах из-за возможного растрескивания их по плоскостям спайности. Большинство их вообще невозможно использовать для алмаза. Тем не менее доктор Ч. А. Брукс из Университета Эксетера разработал тест на вдавливание с использованием пятигранного алмазного наконечника.
Определение потертости, характеризуемой фактором износа материала, более сходно с определением твердости по шкале Мооса и также проводится для ювелирных камней. Доктор Э. М. Уилкс из Оксфордского университета использовал для этой цели миниатюрные шлифовальные круги, импрегнированные алмазным порошком. Круг прикладывали к испытуемому образцу (в направлении максимальной твердости) на определенное время, чтобы определить этот фактор для различных материалов. Рассчитывалось количество материала, удаленного с образца (т. е. потеря массы), по сравнению с алмазом.
Результаты теста, которые «поменяли местами» корунд и ИАГ и «сделали» шпинель «мягче» ИАГ, показывают, что прямой связи между «фактором износа Уилкса» и определением твердости по Моосу нет.
Влияние твердости на технологию добычи
Уникальная твердость алмаза привела к возникновению ограночной промышленности, отличающейся от обработки других драгоценных камней. Исключительно высокая твердость алмаза используется и во многих методах выделения этого минерала из вмещающих пород. В отличие от способов добычи многих других драгоценных камней, прочность кристаллов алмаза позволяет для извлечения алмазоносных пород бурить и взрывать породы как на поверхности земли, так и под землей. Эта же прочность позволяет использовать дробилки и мельницы, чтобы измельчить добытые породы и извлечь из них алмазы.
При добыче других минералов, более хрупких, чем алмаз, для того чтобы вскрыть пласт пород, содержащих драгоценные камни, скажем берилл или даже корунд, взрывные работы используются в довольно ограниченных количествах. Пласты чаще вскрывают механическими экскаваторами и затем разрабатывают вручную, используя кирку и молоток для извлечения кристаллов. Удаление вмещающей породы производится вручную чаще, чем механическими способами, поскольку многие драгоценные минералы мягкие и чувствительны к ударам.