Es gibt 6 ’stärkste Materialien‘ auf der Erde, die härter sind als Diamanten

Kohlenstoff ist eines der faszinierendsten Elemente in der ganzen Natur, mit chemischen und physikalischen Eigenschaften im Gegensatz zu jedem anderen Element. Mit nur sechs Protonen in seinem Kern ist es das leichteste reichlich vorhandene Element, das eine Reihe komplexer Bindungen bilden kann. Alle bekannten Lebensformen basieren auf Kohlenstoff, da ihre atomaren Eigenschaften es ermöglichen, sich mit bis zu vier anderen Atomen gleichzeitig zu verbinden., Die möglichen Geometrien dieser Bindungen ermöglichen es Kohlenstoff auch, sich insbesondere unter hohen Drücken selbst zu einem stabilen Kristallgitter zusammenzusetzen. Wenn die Bedingungen genau richtig sind, können Kohlenstoffatome eine feste, ultraharte Struktur bilden, die als Diamant bekannt ist.

Obwohl Diamanten allgemein als das härteste Material der Welt bekannt sind, gibt es tatsächlich sechs Materialien, die härter sind. Diamanten sind immer noch eines der härtesten natürlich vorkommenden und reichlichen Materialien auf der Erde, aber diese sechs Materialien haben es alle zu schlagen.,

Honorable mention: es gibt drei terrestrischen Materialien, die nicht ganz so hart wie Diamant ist, aber noch bemerkenswert interessant für Ihre Stärke in einer Vielzahl von Moden. Mit dem Aufkommen der Nanotechnologie — neben der Entwicklung des nanoskaligen Verständnisses moderner Materialien-erkennen wir jetzt, dass es viele verschiedene Metriken gibt, um physikalisch interessante und extreme Materialien zu bewerten.

Auf der biologischen Seite ist Spinnenseide berüchtigt als die härteste., Mit einem höheren Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht als die meisten herkömmlichen Materialien wie Aluminium oder Stahl ist es auch bemerkenswert, wie dünn und klebrig es ist. Von allen Spinnen der Welt haben Darwins Rindenspinnen die härtesten: zehnmal stärker als Kevlar. Es ist so dünn und leicht, dass ungefähr ein Pfund (454 Gramm) Darwins Rinde Spinnenseide einen Strang bilden würde, der lang genug ist, um den Umfang des gesamten Planeten zu verfolgen.

Für ein natürlich vorkommendes Mineral ist Siliziumkarbid — natürlich in Form von Moissanit gefunden-nur geringfügig härter als Diamanten. (Es ist immer noch härter als jede Spinnenseide.,) Eine chemische Mischung aus Silizium und Kohlenstoff, die im Periodensystem die gleiche Familie einnehmen, Siliziumkarbidkörner werden seit 1893 in Massen hergestellt. Sie können durch einen Hochdruck -, aber Niedertemperaturprozess, der als Sintern bekannt ist, miteinander verbunden werden, um extrem harte keramische Materialien zu erzeugen.,

Diese Materialien sind nicht nur in einer Vielzahl von Anwendungen nützlich, die die Härte ausnutzen, wie z. B. Fahrzeugbremsen und-kupplungen, Platten in kugelsicheren Westen und sogar Kampfpanzer, die für Panzer geeignet sind, sondern auch unglaublich nützliche Halbleitereigenschaften für den Einsatz in der Elektronik.

Im Sandia National Laboratories des Department of Energy wurden vor rund 20 Jahren zum ersten Mal winzige Kieselsäurekugeln mit einem Durchmesser von 50 Nanometern bis hin zu nur 2 Nanometern hergestellt., Das Bemerkenswerte an diesen Nanosphären ist, dass sie hohl sind, sich zu Kugeln zusammensetzen und sogar ineinander nisten können, während sie das steifste Material bleiben, das der Menschheit bekannt ist, nur etwas weniger hart als Diamanten.

Die Selbstorganisation ist ein unglaublich leistungsfähiges Werkzeug in der Natur, aber biologische Materialien sind im Vergleich zu synthetischen schwach. Diese selbstorganisierenden Nanopartikel könnten verwendet werden, um kundenspezifische Materialien mit Anwendungen von besseren Wasserreinigern zu effizienteren Solarzellen, von schnelleren Katalysatoren zu Elektronik der nächsten Generation zu schaffen., Die Traumtechnologie dieser selbstorganisierenden Nanosphären ist jedoch eine bedruckbare Körperpanzerung, die den Spezifikationen des Benutzers entspricht.

Diamanten sind natürlich härter als alle diese und treten immer noch auf Platz 7 der Liste der härtesten Materialien auf, die auf der Erde gefunden oder erstellt wurden. Trotz der Tatsache, dass sie sowohl von anderen natürlichen (aber seltenen) Materialien als auch von synethetischen, von Menschen hergestellten Materialien übertroffen wurden, halten sie immer noch einen wichtigen Rekord.

Diamanten bleiben das kratzfesteste Material, das der Menschheit bekannt ist. Metalle wie Titan sind weit weniger kratzfest und selbst extrem harte Keramik oder Hartmetall können in Bezug auf Härte oder Kratzfestigkeit nicht mit Diamanten konkurrieren., Andere Kristalle, die für ihre extreme Härte bekannt sind, wie Rubine oder Saphire, verfehlen immer noch Diamanten.

Aber sechs Materialien haben sogar den gepriesenen Diamantschlag in Bezug auf Härte.

6.) Wurtzit bornitrid. Anstelle von Kohlenstoff können Sie aus einer Reihe anderer Atome oder Verbindungen einen Kristall herstellen, und eines davon ist Bornitrid (BN), bei dem das 5.und 7. Element des Periodensystems zu einer Vielzahl von Möglichkeiten zusammenkommen. Es kann amorph (nicht kristallin), sechseckig (ähnlich wie Graphit), kubisch (ähnlich wie Diamant, aber etwas schwächer) und die Wurtzit-Form sein.,

Die letzte dieser Formen ist sowohl extrem selten, aber auch extrem hart. Es wurde während Vulkanausbrüchen gebildet und wurde nur in winzigen Mengen entdeckt, was bedeutet, dass wir seine Härteeigenschaften noch nie experimentell getestet haben. Es bildet jedoch eine andere Art von Kristallgitter — ein tetraedrisches anstelle eines flächenzentrierten kubischen -, das nach den neuesten Simulationen 18% härter ist als Diamant.

5.) Lonsdaleite. Stellen Sie sich vor, Sie haben einen Meteor voller Kohlenstoff und enthalten daher Graphit, der durch unsere Atmosphäre rast und mit dem Planeten Erde kollidiert., Während Sie sich einen fallenden Meteor als unglaublich heißen Körper vorstellen können, werden nur die äußeren Schichten heiß; Die Innenseiten bleiben für die meisten (oder möglicherweise sogar alle) ihrer Reise zur Erde kühl.

Beim Aufprall auf die Erdoberfläche werden die Drücke im Inneren jedoch größer als bei jedem anderen natürlichen Prozess auf der Oberfläche unseres Planeten und bewirken, dass sich der Graphit zu einer kristallinen Struktur verdichtet. Es besitzt jedoch nicht das kubische Gitter eines Diamanten, sondern ein sechseckiges Gitter, das tatsächlich Härten erreichen kann, die 58% größer sind als das, was Diamanten erreichen., Während echte Beispiele von Lonsdaleit genügend Verunreinigungen enthalten, um sie weicher als Diamanten zu machen, würde ein verunreinigungsfreier Graphitmeteorit, der auf die Erde trifft, zweifellos Material produzieren, das härter ist als jeder terrestrische Diamant.

4.) Dyneema., Von hier aus lassen wir das Reich der natürlich vorkommenden Substanzen hinter uns. Dyneema,ein thermoplastisches Polyethylenpolymer, ist ungewöhnlich für ein außergewöhnlich hohes Molekulargewicht. Die meisten Moleküle, die wir kennen, sind Ketten von Atomen mit insgesamt einigen tausend Atommasseneinheiten (Protonen und/oder Neutronen). Aber UHMWPE (für ultrahochmolekulares Polyethylen) hat extrem lange Ketten mit einer molekularen Masse in Millionen atomarer Masseneinheiten.,

Mit sehr langen Ketten für ihre Polymere werden die intermolekularen Wechselwirkungen wesentlich verstärkt, wodurch ein sehr zähes Material entsteht. Es ist in der Tat so hart, dass es die höchste Schlagfestigkeit eines bekannten Thermoplasten aufweist. Es wurde als die stärkste Faser der Welt bezeichnet und übertrifft alle Festmacher-und Abschleppseile. Obwohl es leichter als Wasser ist, kann es Kugeln stoppen und hat die 15-fache Festigkeit einer vergleichbaren Menge Stahl.

3.) Palladium microalloy Glas. Es ist wichtig zu erkennen, dass es zwei wichtige Eigenschaften gibt, die alle physikalischen Materialien haben: Festigkeit, wie viel Kraft sie aushalten kann, bevor sie sich verformt, und Zähigkeit, wie viel Energie sie benötigt, um sie zu brechen oder zu brechen., Die meisten Keramiken sind stark, aber nicht zäh, zerbrechlich mit Schraubstockgriffen oder sogar, wenn sie nur aus bescheidener Höhe fallen gelassen werden. Elastische Materialien wie Gummi können viel Energie aufnehmen, sind aber leicht verformbar und überhaupt nicht stark.

Die meisten glasigen Materialien sind spröde: stark, aber nicht besonders hart. Selbst verstärktes Glas, wie Pyrex oder Gorilla Glass, ist auf der Skala der Materialien nicht besonders hart., Im Jahr 2011 entwickelten die Forscher jedoch ein neues Mikrolegierungsglas mit fünf Elementen (Phosphor, Silizium, Germanium, Silber und Palladium), bei dem das Palladium einen Weg zur Bildung von Scherbändern bietet, wodurch sich das Glas plastisch verformt und nicht reißt. Es besiegt alle Arten von Stahl, sowie etwas niedriger auf dieser Liste, für seine Kombination von Festigkeit und Zähigkeit. Es ist das härteste Material, Kohlenstoff nicht einzuschließen.

2.) Buckypaper. Jahrhunderts bekannt, dass es eine Form von Kohlenstoff gibt, die noch härter ist als Diamanten: Kohlenstoffnanoröhren., Durch die Bindung von Kohlenstoff zu einer sechseckigen Form kann es eine starre zylindrische Struktur stabiler halten als jede andere der Menschheit bekannte Struktur. Wenn Sie ein Aggregat von Kohlenstoffnanoröhren nehmen und ein makroskopisches Blatt davon erstellen, können Sie ein dünnes Blatt davon erstellen: Buckypaper.

Jedes einzelne Nanoröhrchen ist nur zwischen 2 und 4 Nanometer breit, aber jedes ist unglaublich stark und zäh. Es ist nur 10% das Gewicht von Stahl, hat aber Hunderte Male die Stärke., Es ist feuerfest, extrem wärmeleitend, besitzt enorme elektromagnetische Abschirmungseigenschaften und könnte zu Materialwissenschaften, Elektronik, Militär und sogar biologischen Anwendungen führen. Aber buckypaper kann nicht werden 100% Nanoröhren, das ist vielleicht das, was hält es von der ersten Platz auf dieser Liste.

1.) Graphen. Endlich: ein sechseckiges Kohlenstoffgitter, das nur ein einziges Atom dick ist. Das ist, was ein Blatt Graphen ist, wohl das revolutionärste Material im 21. Es ist das grundlegende Strukturelement von Kohlenstoffnanoröhren selbst, und die Anwendungen wachsen kontinuierlich. Derzeit eine Multimillionen-Dollar-Industrie, Graphen wird voraussichtlich in nur Jahrzehnten zu einer Multimillionen-Dollar-Industrie wachsen.,

Im Verhältnis zu seiner Dicke ist es das stärkste bekannte Material, ist ein außergewöhnlicher Leiter für Wärme und Elektrizität und fast 100% lichtdurchlässig. Der Nobelpreis für Physik 2010 ging an Andre Geim und Konstantin Novoselov für bahnbrechende Experimente mit Graphen, und die kommerziellen Anwendungen sind nur gewachsen. Bis heute ist Graphen das dünnste bekannte Material, und die nur sechsjährige Lücke zwischen Geim und Novoselovs Arbeit und ihrem Nobelpreis ist eine der kürzesten in der Geschichte der Physik.,

Das Bestreben, Materialien härter, stärker, kratzfester, leichter, härter usw. zu machen., wird wahrscheinlich nie enden., Wenn die Menschheit die Grenzen der uns zur Verfügung stehenden Materialien weiter als je zuvor verschieben kann, können sich die Anwendungen für das, was machbar wird, nur erweitern. Vor Generationen war die Idee der Mikroelektronik, Transistoren oder der Fähigkeit, einzelne Atome zu manipulieren, sicherlich ausschließlich im Bereich der Science-Fiction. Heute sind sie so verbreitet, dass wir sie alle für selbstverständlich halten.

Wenn wir mit voller Wucht in das Nanotech-Zeitalter stürzen, werden Materialien wie die hier beschriebenen immer wichtiger und allgegenwärtiger für unsere Lebensqualität., Es ist eine wunderbare Sache, in einer Zivilisation zu leben, in der Diamanten nicht mehr das härteste bekannte Material sind; Die wissenschaftlichen Fortschritte, die wir machen, kommen der Gesellschaft als Ganzes zugute. Jahrhundert entfaltet, werden wir alle sehen, was mit diesen neuen Materialien plötzlich möglich wird.