Der er 6 ‘stærkeste materialer’ på jorden, der er hårdere end diamanter

kulstof er et af de mest fascinerende elementer i hele naturen med kemiske og fysiske egenskaber i modsætning til ethvert andet element. Med kun seks protoner i sin kerne er det det letteste rigelige element, der er i stand til at danne en masse komplekse bindinger. Alle kendte livsformer er kulstofbaserede, da dens atomiske egenskaber gør det muligt at forbinde med op til fire andre atomer ad gangen., De mulige geometrier af disse bindinger gør det også muligt for kulstof at samle sig selv, især under højt tryk, til et stabilt krystalgitter. Hvis betingelserne er helt rigtige, kan carbonatomer danne en solid, ultrahård struktur kendt som en diamant.selvom diamanter almindeligvis kendt som det hårdeste materiale i verden, er der faktisk seks materialer, der er sværere. Diamanter er stadig en af de hårdeste naturligt forekommende og rigelige materialer på jorden, men disse seks materialer alle har det slå.,

ærlig omtale: der er tre jordbaserede materialer, der ikke er så hårde som diamant er, men er stadig bemærkelsesværdigt interessante for deres styrke i en række forskellige mode. Med fremkomsten af nanoteknologi-sammen med udviklingen af nanoskala forståelser af moderne materialer-erkender vi nu, at der er mange forskellige målinger til at evaluere fysisk interessante og ekstreme materialer.

på den biologiske side er edderkoppesilke berygtet som den hårdeste., Med et højere styrke-til-vægt-forhold end de fleste konventionelle materialer som aluminium eller stål, er det også bemærkelsesværdigt for, hvor tyndt og klæbrigt det er. Af alle edderkopper i verden har Dar .ins bark edderkopper det hårdeste: ti gange stærkere end kevlar. Det er så tyndt og let, at cirka et pund (454 gram) af Dar .ins bark edderkoppesilke ville komponere en streng længe nok til at spore hele planetens omkreds.

For et naturligt forekommende mineral, silicon carbide — findes naturligt i form af moissanite er kun lidt mindre end diamanter i hårdhed. (Det er stadig sværere end nogen edderkoppesilke.,) En kemisk blanding af silicium og kulstof, der besætter den samme familie i det periodiske system som hinanden, er siliciumcarbid korn blevet masseproduceret siden 1893. De kan bindes sammen gennem en højtryks – men lav temperatur proces kendt som sintring at skabe ekstremt hårde keramiske materialer.,

Disse materialer er ikke kun nyttige i en bred vifte af programmer, der udnytter hårdhed, såsom bil bremser og koblinger, plader i skudsikre veste, og selv battle rustning egnet til tanke, men også utrolig nyttigt halvleder egenskaber til anvendelse i elektronik.

Lille silica områder, fra 50 nanometer i diameter ned til blot 2 nanometer, blev oprettet for første gang for omkring 20 år siden på Department of Energy ‘ s Sandia National Laboratories., Det, der er bemærkelsesværdigt ved disse nanosfærer, er, at de er hule, de samles selv i kugler, og de kan endda reden inde i hinanden, alt sammen mens de forbliver det stiveste materiale, der er kendt for menneskeheden, kun lidt mindre hårdt end diamanter.

selvmontering er et utroligt kraftfuldt værktøj i naturen, men biologiske materialer er svage sammenlignet med syntetiske. Disse selvsamlende nanopartikler kunne bruges til at oprette brugerdefinerede materialer med applikationer fra bedre vandrensere til mere effektive solceller, fra hurtigere katalysatorer til næste generations elektronik., Drømmeteknologien i disse selvmonterende nanosfærer er dog printbar kropsrustning, tilpasset brugerens SPECIFIKATIONER.

diamanter, selvfølgelig, er sværere end alle disse, og stadig ur i #7 på All-time liste over hårdeste materialer fundet eller skabt på jorden. På trods af at de er blevet overgået af både andre naturlige (men sjældne) materialer og synetiske, menneskeskabte, har de stadig en vigtig rekord.

diamanter forbliver det mest ridsebestandige materiale, som menneskeheden kender. Metaller som titanium er langt mindre ridsefast, og selv ekstremt hård keramik eller tunolframcarbid kan ikke konkurrere med diamanter med hensyn til hårdhed eller ridsefasthed., Andre krystaller, der er kendt for deres ekstreme hårdhed, såsom rubiner eller safirer, mangler stadig diamanter.

men seks materialer har endda den højt besungne diamantslag med hensyn til hårdhed.

6.) Wurtiteitbornitrid. I stedet for kulstof kan du lave en krystal ud af en række andre atomer eller forbindelser, og en af dem er bornitrid (BN), hvor de 5.og 7. elementer på det periodiske bord mødes for at danne en række muligheder. Det kan være amorft (ikke-krystallinsk), sekskantet (ligner grafit), kubisk (ligner diamant, men lidt svagere) og wurtiteitformen.,

den sidste af disse former er både ekstremt sjælden, men også ekstremt hård. Dannet under vulkanudbrud, er det kun blevet opdaget i små mængder, hvilket betyder, at vi aldrig har testet dets hårdhedsegenskaber eksperimentelt. Imidlertid danner det en anden slags krystalgitter — en tetrahedral i stedet for en ansigtscentreret kubisk-det er 18% sværere end diamant, ifølge de seneste simuleringer.

5.) Lonsdaleite. Forestil dig, at du har en meteor fuld af kulstof, og derfor indeholder grafit, der springer gennem vores atmosfære og kolliderer med planeten Jorden., Mens du måske forestiller dig en faldende meteor som utrolig varm krop, er det kun de ydre lag, der bliver varme; indersiden forbliver kølig for de fleste (eller endda potentielt alle) af deres rejse mod Jorden.

Ved påvirkning med jordens overflade bliver trykket indeni imidlertid større end nogen anden naturlig proces på vores planets overflade og får grafit til at komprimere til en krystallinsk struktur. Det besidder dog ikke det kubiske gitter af en diamant, men et sekskantet gitter, som faktisk kan opnå hårdheder, der er 58% større end hvad diamanter opnår., Mens virkelige eksempler på Lonsdaleit indeholder tilstrækkelige urenheder til at gøre dem blødere end diamanter, ville en urenhedsfri grafitmeteorit, der rammer jorden, uden tvivl producere materiale hårdere end nogen jordbaseret diamant.

4.) Dyneema., Herfra og ud, vi forlader realm af naturligt forekommende stoffer bag. Dyneema, en termoplastisk polyethylenpolymer, er usædvanlig for at have en ekstraordinær høj molekylvægt. De fleste molekyler, som vi kender til, er kæder af atomer med et par tusinde atommasseenheder (protoner og/eller neutroner) i alt. Men Uhm .pe (til ultrahøj molekylvægt polyethylen) har ekstremt lange kæder med en molekylmasse i millioner af atommasseenheder.,

med meget lange kæder til deres polymerer styrkes de intermolekylære interaktioner væsentligt, hvilket skaber et meget hårdt materiale. Det er så hårdt, faktisk, at det har den højeste slagstyrke af enhver kendt termoplast. Det er blevet kaldt den stærkeste fiber i verden, og overgår alle fortøjning og slæbetov. På trods af at det er lettere end vand, kan det stoppe kugler og har 15 gange styrken af en sammenlignelig mængde stål.

3.) Palladium microalloy glas. Det er vigtigt at erkende, at der er to vigtige egenskaber, som alle fysiske materialer har: styrke, hvilket er, hvor meget kraft det kan modstå, før det deformeres, og sejhed, hvilket er, hvor meget energi det tager at bryde eller brud det., De fleste keramik er stærke, men ikke hårde, knusende med skruegreb eller endda når de falder fra kun en beskeden højde. Elastiske materialer, som gummi, kan holde meget energi, men er let deformerbare og slet ikke stærke.de fleste glasagtige materialer er sprøde: stærke, men ikke særlig hårde. Selv forstærket glas, som Pyre.eller Gorilla Glass, er ikke særlig hårdt på materialernes skala., Men i 2011 udviklede forskere et nyt mikrolegeringsglas med fem elementer (fosfor, silicium, germanium, sølv og palladium), hvor palladium giver en vej til dannelse af forskydningsbånd, så glasset plastisk deformeres snarere end revne. Det besejrer alle typer stål, såvel som noget lavere på denne liste, for sin kombination af både styrke og sejhed. Det er det hårdeste materiale at ikke inkludere kulstof.

2.) Buckypaper. Det er velkendt siden slutningen af det 20. århundrede, at der er en form for kulstof, der er endnu sværere end diamanter: carbon nanorør., Ved at binde kulstof sammen i en sekskantet form, kan det holde en stiv cylindrisk formet struktur mere stabilt end nogen anden struktur kendt af menneskeheden. Hvis du tager et aggregat af carbon nanorør og opretter et makroskopisk ark af dem, kan du oprette et tyndt ark af dem: buckypaper.

hver enkelt nanorør er kun mellem 2 og 4 nanometer på tværs, men hver enkelt er utrolig stærk og hård. Det er kun 10% vægten af stål, men har har hundredvis af gange styrken., Det er brandsikkert, ekstremt termisk ledende, besidder enorme elektromagnetiske afskærmningsegenskaber og kan føre til materialevidenskab, elektronik, militære og endda biologiske applikationer. Men buckypaper kan ikke laves af 100% nanorør, hvilket måske er det, der holder det ude af toppen på denne liste.

1.) Grafen. Endelig: et sekskantet kulstofgitter, der kun er et enkelt atom tykt. Det er, hvad et ark grafen er, uden tvivl det mest revolutionerende materiale, der skal udvikles og udnyttes i det 21.århundrede. Det er det grundlæggende strukturelle element i carbon nanorør selv, og applikationer vokser kontinuerligt. I øjeblikket en multimillion dollar industri, grafen forventes at vokse til en multimillion dollar industri i blot årtier.,

I forhold til sin tykkelse, det er det stærkeste materiale der er kendt, er en ekstraordinær leder af både varme og elektricitet, og er næsten 100% gennemsigtig for lys. Nobelprisen i fysik i 2010 gik til Andre Geim og Konstantin Novoselov for banebrydende eksperimenter med grafen, og de kommercielle applikationer er kun vokset. Hidtil er grafen det tyndeste materiale, der er kendt, og den blotte seks års kløft mellem Geim og Novoselovs arbejde og deres Nobelpris er en af de korteste i fysikens historie.,

søgen efter at gøre materialer hårdere, stærkere, mere ridsefast, lettere, hårdere osv., vil sandsynligvis aldrig ende., Hvis menneskeheden kan skubbe grænserne for de materialer, der er tilgængelige for os længere end nogensinde før, kan applikationerne til det, der bliver muligt, kun udvides. Generationer siden, ideen om mikroelektronik, transistorer, eller evnen til at manipulere individuelle atomer var helt sikkert eksklusivt til science-fiction. I dag er de så almindelige, at vi tager dem alle for givet.

Når vi kaster fuld kraft ind i nanotech-alderen, bliver materialer som dem, der beskrives her, stadig vigtigere og allestedsnærværende for vores livskvalitet., Det er en vidunderlig ting at leve i en civilisation, hvor diamanter ikke længere er det sværeste kendte materiale; de videnskabelige fremskridt, vi gør til gavn for samfundet som helhed. Efterhånden som det 21. århundrede udfolder sig, får vi alle at se, hvad der pludselig bliver muligt med disse nye materialer.