Atomové a molekulární konfigurace přicházejí v téměř nekonečný počet možných kombinací, ale… specifické kombinace nalezené v jakémkoli materiálu určují jeho vlastnosti. Zatímco diamanty jsou klasicky vnímány jako nejtvrdší materiál na Zemi, nejsou ani nejsilnější materiál celkově ani nejsilnější přirozeně se vyskytující materiál., V současné době existuje šest typů materiálů, o nichž je známo, že jsou silnější, i když se očekává, že se toto číslo s postupem času zvýší.
max Pixel
uhlík je jedním z nejvíce fascinujících prvků v celé přírodě, s chemickými a fyzikálními vlastnostmi na rozdíl od jakéhokoli jiného prvku. S pouhými šesti protony v jeho jádru, je to nejlehčí hojný prvek schopný tvořit zabil složitých vazeb. Všechny známé formy života jsou založeny na uhlíku, protože jeho atomové vlastnosti mu umožňují spojit se až se čtyřmi dalšími atomy najednou., Možné geometrie těchto vazeb také umožňují, aby se uhlík sám sestavil, zejména za vysokých tlaků, do stabilní krystalové mřížky. Pokud jsou podmínky správné, atomy uhlíku mohou tvořit pevnou, ultra tvrdou strukturu známou jako diamant.
ačkoli diamanty běžně známé jako nejtěžší materiál na světě, ve skutečnosti existuje šest materiálů, které jsou těžší. Diamanty jsou stále jedním z nejtěžších přirozeně se vyskytujících a hojných materiálů na Zemi, ale těchto šest materiálů to všechno porazilo.,
web Darwinova pavouka je největší web typu orb produkovaný jakýmkoli pavoukem na Zemi a… hedvábí pavouka Darwinovy kůry je nejsilnější z jakéhokoli druhu pavoučího hedvábí. Nejdelší jediný pramen se měří na 82 chodidla; pramen, který kroužil po celé zemi by vážil pouhých 1 libra.
Carles Lalueza-Fox, Ingi Agnarsson, Matjaž Kuntner, Todd a., Klubu (2010)
Čestné uznání: k dispozici jsou tři pozemní materiály, které nejsou tak tvrdé jako diamant, ale jsou stále mimořádně zajímavé pro svou sílu v mnoha různými způsoby. S příchodem nanotechnologií — vedle vývoje nanotechnologie pro chápání moderních materiálů — nyní si uvědomujeme, že existuje mnoho různých metrik pro vyhodnocení fyzicky zajímavé a extrémní materiálů.
na biologické straně je pavoučí hedvábí notoricky známé jako nejtěžší., S vyšším poměrem pevnosti k hmotnosti než většina konvenčních materiálů, jako je hliník nebo ocel, je také pozoruhodné, jak je tenký a lepivý. Ze všech pavouků na světě mají Darwinští pavouci nejtvrdší: desetkrát silnější než kevlar. Je to tak tenký a lehký, že přibližně za libru (454 g) Darwinovy kůry pavoučí hedvábí by se skládat pramen dostatečně dlouho sledovat z obvodu celé planety.
karbid křemíku, zde zobrazený po montáži, se obvykle nachází jako malé fragmenty přirozeně…, vyskytující se minerální moissanit. Zrna mohou být slinuté dohromady tvoří komplex, krásné stavby, jako jeden ukázaný tady v tomto vzorku materiálu. To je téměř stejně tvrdý jako diamant, a byl syntetizován synteticky a známé samozřejmě od pozdních 1800s.
Scott Horvath, USGS
Pro přirozeně se vyskytující minerální, karbid křemíku — přirozeně vyskytuje v podobě moissanite — je jen mírně nižší v tvrdosti než diamanty. (Je to stále těžší než jakékoliv pavoučí hedvábí.,) Chemická směs křemíku a uhlíku, které zaujímají stejnou rodinu v periodické tabulce jako jeden jiný, zrna karbidu křemíku se hromadně vyrábějí od roku 1893. Mohou být spojeny dohromady pomocí vysokotlakého, ale nízkoteplotního procesu známého jako slinování, aby se vytvořily extrémně tvrdé keramické materiály.,
Tyto materiály jsou nejen užitečné v široké škále aplikací, které využívají tvrdost, jako je auto, brzdy a spojky, desky v neprůstřelných vestách, a dokonce i bojové brnění vhodný pro tanky, ale také neuvěřitelně užitečné polovodičové vlastnosti pro použití v elektronice.
Objednat pilíř pole, které tady vidíte zeleně, byly použity vědci jako pokročilé porézní média… oddělte různé materiály. Vložením křemičitých nanosfér zde vědci mohou zvětšit plochu použitou k oddělení a odfiltrování smíšených materiálů., Zde uvedené nanosféry jsou jen jedním konkrétním příkladem nanosfér a samosběrná odrůda je téměř na stejné úrovni jako diamanty pro pevnost materiálu.
Oak Ridge National Laboratories / flickr
Drobné křemičité kuličky, z 50 nanometrů v průměru jen 2 nanometrů, byly vytvořeny poprvé před 20 lety v Department of Energy ‚ s Sandia National Laboratories., Co je pozoruhodné o těchto nanospheres je, že jsou duté, jsou self-montáž do sfér, a mohou dokonce hnízdo uvnitř jeden druhého, zatímco zbývající nejpevnější materiál je známo, že lidstvo, jen o něco méně pevný než diamanty.
Self-assembly je neuvěřitelně silný nástroj v přírodě, ale biologické materiály jsou slabé ve srovnání se syntetickými materiály. Tyto self-montáž nanočástice by mohly být použity k vytvoření vlastní materiály s aplikací z lepší čističe vody pro účinnější solární články, z rychlejší katalyzátory pro příští generace elektroniky., Vysněná technologie těchto samonabíjecích nanosfér je však tisknutelná neprůstřelná vesta, přizpůsobená specifikacím uživatele.
diamanty mohou být uváděny na trh jako navždy,ale mají teplotní a tlakové limity stejně jako všechny… jiný konvenční materiál. Zatímco většina pozemských materiálů nemůže poškrábat diamant, existuje šest materiálů, které jsou alespoň mnoha opatřeními silnější a/nebo tvrdší než tyto přirozeně se vyskytující uhlíkové mřížky.,
Getty
Diamanty, samozřejmě, jsou těžší, než všechny z nich, a stále hodiny ve v #7 na všech-time seznam nejtěžší materiálů nalezených nebo vytvořených na Zemi. Navzdory skutečnosti, že byly překonány jak jinými přírodními (ale vzácnými) materiály, tak synetickými, lidskými, stále drží jeden důležitý rekord.
diamanty zůstávají nejodolnějším materiálem, který je lidstvu znám. Kovy jako titan jsou mnohem méně odolné proti poškrábání a dokonce i extrémně tvrdá keramika nebo karbid wolframu nemohou konkurovat diamantům z hlediska tvrdosti nebo odolnosti proti poškrábání., Jiné krystaly, které jsou známé svou extrémní tvrdostí, jako jsou rubíny nebo safíry, stále nedosahují diamantů.
ale šest materiálů má dokonce vychvalovaný diamantový rytmus z hlediska tvrdosti.
podobně jako uhlík lze sestavit do různých konfigurací, nitrid boru může převzít… amorfní, hexagonální, kubické nebo čtyřstěnné (wurtzitové) konfigurace. Struktura nitridu boru v jeho konfiguraci wurtzitu je silnější než diamanty., Nitrid boru lze také použít k konstrukci nanotrubic, aerogelů a široké škály dalších fascinujících aplikací.
Benjah-bmm27 / public domain
6.) Nitrid boru wurtzitu. Místo uhlíku, si můžete udělat krystal z řady jinými atomy nebo sloučeniny, a jeden z nich je nitrid bóru (BN), kde 5. a 7. prvky v periodické tabulce se spojily, aby vytvořily řadu možností. To může být amorfní (nekrystalické), hexagonální (podobná grafitu), krychlový (podobný diamantu, ale mírně slabší), a wurtzite formě.,
poslední z těchto forem je extrémně vzácná, ale také extrémně tvrdá. Vznikla během sopečných erupcí, byla objevena pouze v nepatrných množstvích,což znamená, že jsme nikdy experimentálně nezkoušeli její tvrdost. Podle nejnovějších simulací však vytváří jiný druh krystalové mřížky — čtyřstěnnou namísto krychlové mřížky zaměřené na obličej-která je o 18% těžší než diamant.
dva diamanty z kráteru Popigai, kráter vytvořený se známou příčinou meteorického úderu. The…, objekt vpravo (označený a) je složen čistě z diamantu, zatímco objekt vlevo (označený b) je směs diamantu a malého množství lonsdaleitu. Pokud by lonsdaleit mohl být konstruován bez nečistot jakéhokoli typu, byl by z hlediska pevnosti a tvrdosti lepší než čistý diamant.
Hiroaki Ohfuji et al., Nature (2015)
5.) Lonsdaleite. Představte si, že máte meteor plný uhlíku, a proto obsahuje grafit, který se řítí naší atmosférou a srazí se s planetou Zemí., I když si možná představit, padající meteor, jak neuvěřitelně horké tělo, je to jen vnější vrstvy, které se stanou horké; vnitřnosti zůstávají chladné pro většinu (nebo dokonce potenciálně všechny) jejich cestě k Zemi.
Po nárazu se povrch Země, nicméně, tlaky uvnitř jsou stále větší, než jakékoli jiné přírodní proces na povrchu naší planety, a způsobit grafit komprimovat do krystalické struktury. To nemá kubické mřížce diamantu, nicméně, ale hexagonální mříž, která může skutečně dosáhnout hardnesses, že se 58% větší, než to, co diamanty dosáhnout., Zatímco reálné příklady Lonsdaleite obsahovat dostatek nečistot, aby se jim měkčí než diamanty, nečistotu,-zdarma grafitové meteorit stávkující Země by nepochybně produkovat materiál těžší než jakýkoliv pozemský diamant.
Tento obrázek ukazuje, close-up lano s LIROS Dyneema SK78 hollowbraid line. Určitě… třídy aplikací, kde by se používalo textilní nebo ocelové lano, Dyneema je dnes nejsilnějším vláknovým materiálem známým lidské civilizaci.
Justsail / Wikimedia Commons
4.) Dyneema., Od této chvíle necháváme říši přirozeně se vyskytujících látek pozadu. Dyneema, termoplastický polyethylenový polymer, je neobvyklý pro mimořádně vysokou molekulovou hmotnost. Většina molekul, o kterých víme, jsou řetězce atomů s několika tisíci jednotkami atomové hmotnosti (protony a/nebo neutrony) celkem. Ale UHMWPE (pro polyethylen s vysokou molekulovou hmotností) má extrémně dlouhé řetězce s molekulovou hmotností v milionech jednotek atomové hmotnosti.,
s velmi dlouhými řetězci pro jejich polymery jsou intermolekulární interakce podstatně posíleny a vytvářejí velmi tvrdý materiál. Je to tak těžké, ve skutečnosti, že má nejvyšší nárazovou sílu jakéhokoli známého termoplastu. To bylo nazýváno nejsilnějším vláknem na světě a překonává všechny kotvící a tažné lana. Přestože je lehčí než voda, může zastavit kulky a má 15násobek síly srovnatelného množství oceli.
Mikrograf deformovaného zářezu v kovovém skle na bázi palladia vykazuje rozsáhlé plastové stínění…, původně ostrá trhlina. Vložka je zvětšený pohled na smykový posun (šipka) vyvinutý během plastového klouzání před otevřením trhliny. Mikrolitiny palladia mají nejvyšší kombinovanou pevnost a houževnatost jakéhokoli známého materiálu.Robert Ritchie a Marios Demetriou
3.) Palladium microalloy glass. Je důležité si uvědomit, že tam jsou dvě důležité vlastnosti, které všechny fyzické materiály: síla, která je, jak moc síly to může vydržet, než se to deformuje, a trvanlivost, který je, kolik energie je potřeba zlomit, nebo zlomit to., Většina keramiky je silná, ale ne tvrdá, roztříští se svěrákovými úchyty nebo dokonce když spadne pouze ze skromné výšky. Elastické materiály, jako je pryž, mohou mít spoustu energie, ale jsou snadno deformovatelné a vůbec nejsou silné.
většina sklovitých materiálů je křehká: silná, ale ne příliš tvrdá. Dokonce ani vyztužené sklo, jako je Pyrex nebo Gorilla Glass, není na škále materiálů příliš těžké., Ale v roce 2011, vědci vyvinuli nové microalloy sklo s pěti prvky (fosfor, křemík, germanium, stříbro a palladium), kde je palladium poskytuje cestu pro vytvoření smykové pásy, což skla plasticky deformovat, spíše než crack. Porazí všechny druhy oceli, stejně jako cokoli nižšího na tomto seznamu, pro jeho kombinaci síly a houževnatosti. Je to nejtěžší materiál, který nezahrnuje uhlík.
volně stojící papír vyrobený z uhlíkových nanotrubic, aka buckypaper, zabrání průchodu…, částice 50 nanometrů a větší. Má jedinečné fyzikální, chemické, elektrické a mechanické vlastnosti. Ačkoli to může být složeno nebo řezáno nůžkami, je to neuvěřitelně silné. S dokonalou čistotou se odhaduje, že by mohla dosáhnout až 500násobku pevnosti srovnatelného objemu oceli. Tento obrázek ukazuje nanolabův buckypaper pod skenovacím elektronovým mikroskopem.
NANOLAB, INC.
2.) Buckypaper. Od konce 20. století je dobře známo, že existuje forma uhlíku, která je ještě těžší než diamanty: uhlíkové nanotrubice., Spojením uhlíku do šestihranného tvaru může držet pevnou válcovou strukturu stabilněji než jakákoli jiná struktura známá lidstvu. Pokud vezmete agregát uhlíkových nanotrubic a vytvoříte z nich makroskopický list, můžete z nich vytvořit tenký list: buckypaper.
každá jednotlivá nanotrubice je pouze mezi 2 a 4 nanometry napříč, ale každá z nich je neuvěřitelně silná a tvrdá. Je to jen 10% hmotnost oceli, ale má stokrát větší sílu., Je ohnivzdorný, extrémně tepelně vodivý, má obrovské elektromagnetické stínící vlastnosti a může vést k materiálové vědě, elektronice, vojenským a dokonce biologickým aplikacím. Ale buckypaper nemůže být vyroben ze 100% nanotrubic, což je možná to, co ho drží mimo první místo na tomto seznamu.
Grafen je ve své ideální konfiguraci bezvadnou sítí atomů uhlíku vázaných na a… dokonale šestihranné uspořádání. To může být viděno jako nekonečná řada aromatických molekul.,
AlexanderAlUS / CORE-materiály Flickru
1.) Grafen. Konečně: šestihranná uhlíková mřížka, která je tlustá pouze jedním atomem. To je to, co je list grafenu, pravděpodobně nejrevolučnější materiál, který má být vyvinut a využit v 21.století. Je základním konstrukčním prvkem samotných uhlíkových nanotrubic a aplikace neustále rostou. V současné době multimilionový průmysl, graphene se očekává, že vyroste do multibillion dollar průmyslu v pouhých desetiletích.,
v poměru k jeho tloušťce je to nejsilnější známý materiál, je mimořádným vodičem tepla i elektřiny a je téměř 100% průhledný vůči světlu. Nobelova cena za fyziku za rok 2010 šla Andremu Geimovi a Konstantinu Novoselovovi za průkopnické experimenty zahrnující Grafen a komerční aplikace pouze rostly. K dnešnímu dni, grafen je nejtenčí materiál známý, a pouhý půl rok propast mezi Geim a Novoselov práce a jejich Nobelovu cenu, je jedna z nejkratších v historii fyziky.,
krystal k-4 sestává výhradně z atomů uhlíku uspořádaných v mřížce, ale s an… nekonvenční úhel vazby ve srovnání s grafitem, diamantem nebo grafenem. Tyto meziatomové vlastnosti mohou vést k drasticky odlišným fyzikálním, chemickým a materiálovým vlastnostem i při stejných chemických vzorcích pro různé struktury.
Workbit / Wikimedia Commons
úkol, aby materiály tvrdší, odolnější, více odolné proti poškrábání, lehčí, tvrdší, atd., pravděpodobně nikdy neskončí., Pokud lidstvo dokáže posunout hranice materiálů, které máme k dispozici, dále než kdykoli předtím, aplikace toho, co se stane proveditelným, se mohou rozšířit. Před generacemi byla myšlenka mikroelektroniky, tranzistorů nebo schopnost manipulovat s jednotlivými atomy jistě exkluzivní pro oblast sci-fi. Dnes jsou tak běžné, že je všechny považujeme za samozřejmost.
Jak jsme se řítí plnou silou do nanotechnologie, věk, materiály, jako jsou ty popsané zde stává stále více důležité a všudypřítomné pro kvalitu našeho života., Je to úžasná věc je žít v civilizaci, kde diamanty už nejsou nejtvrdší známý materiál, vědecké pokroky děláme prospěch společnosti jako celku. Jak se rozvíjí 21. století, všichni uvidíme, co se s těmito novými materiály najednou stane možným.