Las configuraciones atómicas y moleculares vienen en un número casi infinito de combinaciones posibles, pero el… las combinaciones específicas que se encuentran en cualquier material determinan sus propiedades. Si bien los diamantes son vistos clásicamente como el material más duro que se encuentra en la Tierra, no son el material más fuerte en general ni siquiera el material natural más fuerte., En la actualidad hay seis tipos de materiales que se sabe que son más fuertes, aunque se espera que ese número aumente a medida que pase el tiempo.
Max Pixel
El carbono es uno de los elementos más fascinantes de toda la naturaleza, con propiedades químicas y físicas diferentes a cualquier otro elemento. Con solo seis protones en su núcleo, es el elemento abundante más ligero capaz de formar una gran cantidad de enlaces complejos. Todas las formas de vida conocidas están basadas en el carbono, ya que sus propiedades atómicas le permiten conectarse con hasta cuatro átomos más a la vez., Las posibles geometrías de esos enlaces también permiten al carbono autoensamblarse, particularmente bajo altas presiones, en una red cristalina estable. Si las condiciones son las adecuadas, los átomos de carbono pueden formar una estructura sólida y ultra dura conocida como diamante.
aunque los diamantes comúnmente se conocen como el material más duro del mundo, en realidad hay seis materiales que son más duros. Los diamantes siguen siendo uno de los materiales naturales más duros y abundantes en la Tierra, pero todos estos seis materiales lo han superado.,
la red de la araña corteza de Darwin es la red de tipo orbe más grande producida por cualquier araña en la Tierra, y… la seda de la araña de corteza de Darwin es la más fuerte de cualquier tipo de seda de araña. La hebra individual más larga se mide a 82 pies; una hebra que rodeaba toda la Tierra pesaría solo 1 libra.
Carles Lalueza-Fox, Ingi Agnarsson, Matjaž Kuntner, Todd A., Blackledge (2010)
mención de Honor: hay tres materiales terrestres que no son tan duros como el diamante, pero siguen siendo notablemente interesantes por su resistencia en una variedad de modas. Con el advenimiento de la nanotecnología, junto con el desarrollo de la comprensión a nanoescala de los materiales modernos, ahora reconocemos que hay muchas métricas diferentes para evaluar materiales físicamente interesantes y extremos.
en el lado biológico, la seda de araña es conocida como la más resistente., Con una mayor relación resistencia-peso que la mayoría de los materiales convencionales como el aluminio o el acero, también es notable por lo delgado y pegajoso que es. De todas las arañas del mundo, las arañas de corteza de Darwin tienen las más duras: diez veces más fuertes que el kevlar. Es tan delgada y ligera que aproximadamente una Libra (454 gramos) de seda de araña de corteza de Darwin compondría una hebra lo suficientemente larga como para trazar la circunferencia de todo el planeta.
carburo de Silicio, que se muestra aquí posteriores a la asamblea, se encuentra normalmente como pequeños fragmentos de la forma natural…, mineral que ocurre moissanite. Los granos se pueden sinterizar juntos para formar estructuras complejas y hermosas como la que se muestra aquí en esta muestra de material. Es casi tan duro como el diamante, y ha sido sintetizado sintéticamente y conocido naturalmente desde finales de 1800.
Scott Horvath, USGS
para un mineral natural, el carburo de silicio, que se encuentra naturalmente en forma de moissanita, es solo ligeramente menor en dureza que los diamantes. (Todavía es más difícil que cualquier seda de araña.,) Una mezcla química de silicio y carbono, que ocupan la misma familia en la Tabla periódica, los granos de carburo de silicio se han producido en masa desde 1893. Se pueden unir a través de un proceso de alta presión pero baja temperatura conocido como sinterización para crear materiales cerámicos extremadamente duros.,
estos materiales no solo son útiles en una amplia variedad de aplicaciones que aprovechan la dureza, como frenos y embragues de automóviles, placas en chalecos antibalas e incluso armaduras de batalla adecuadas para tanques, sino que también tienen propiedades semiconductoras increíblemente útiles para su uso en electrónica.
Las matrices de pilares ordenadas, que se muestran aquí en verde, han sido utilizadas por los científicos como medios porosos avanzados para… separe los diversos materiales. Al incrustar nanosferas de sílice, aquí, los científicos pueden aumentar la superficie utilizada para separar y filtrar materiales mezclados., Las nanosferas que se muestran aquí son solo un ejemplo particular de nanosferas, y la variedad de autoensamblaje está casi a la par con los diamantes para la resistencia del material.
Oak Ridge National Laboratories / flickr
diminutas esferas de sílice, de 50 nanómetros de diámetro hasta solo 2 nanómetros, se crearon por primera vez hace unos 20 años en los Laboratorios Nacionales Sandia del Departamento de energía., Lo notable de estas nanosferas es que son huecas, se autoensamblan en esferas, e incluso pueden anidar unas dentro de otras, todo mientras siguen siendo el material más rígido conocido por la humanidad, solo un poco menos duro que los diamantes.
el autoensamblaje es una herramienta increíblemente poderosa en la naturaleza, pero los materiales biológicos son débiles en comparación con los sintéticos. Estas nanopartículas autoensamblables podrían usarse para crear materiales personalizados con aplicaciones desde mejores purificadores de agua hasta células solares más eficientes, desde catalizadores más rápidos hasta Electrónica de próxima generación., La tecnología de ensueño de estas nanosferas autoensamblables, sin embargo, es una armadura corporal imprimible, personalizada según las especificaciones del usuario.
Los diamantes pueden comercializarse como forever, pero tienen límites de temperatura y presión como cualquier otro… otro material convencional. Si bien la mayoría de los materiales terrestres no pueden rayar un diamante, hay seis materiales que, al menos por muchas medidas, son más fuertes y/o más duros que estas redes de carbono naturales.,
Getty
Los diamantes, por supuesto, son más duros que todos estos, y todavía están en el #7 en la lista de todos los tiempos de los materiales más duros encontrados o creados en la Tierra. A pesar del hecho de que han sido superados por otros materiales naturales (pero raros) y sinetéticos, hechos por el hombre, todavía tienen un récord importante.
Los diamantes siguen siendo el material más resistente a los arañazos conocido por la humanidad. Los metales como el titanio son mucho menos resistentes a los arañazos, e incluso la cerámica extremadamente dura o el carburo de tungsteno no pueden competir con los diamantes en términos de dureza o resistencia al rayado., Otros cristales que son conocidos por su extrema dureza, como rubíes o zafiros, todavía se quedan cortos de diamantes.
pero seis materiales tienen incluso el tan cacareado golpe de diamante en términos de dureza.
Tanto como el carbono puede ser montado en una variedad de configuraciones, el Nitruro de Boro pueden tomar… configuraciones amorfas, hexagonales, cúbicas o tetraédricas (wurtzita). La estructura del nitruro de boro en su configuración de wurtzita es más fuerte que los diamantes., El nitruro de boro también se puede utilizar para construir nanotubos, aerogeles y una amplia variedad de otras aplicaciones fascinantes.
Benjah-bmm27 / dominio público
6.) Wurtzite boron nitride. En lugar de carbono, se puede hacer un cristal de una serie de otros átomos o compuestos, y uno de ellos es el nitruro de boro (BN), donde los elementos 5 y 7 de la Tabla periódica se unen para formar una variedad de posibilidades. Puede ser amorfo (no cristalino), hexagonal (similar al grafito), cúbico (similar al diamante, pero ligeramente más débil), y la forma de wurtzita.,
la última de estas formas es extremadamente rara, pero también extremadamente difícil. Formado durante las erupciones volcánicas, solo se ha descubierto en cantidades mínimas, lo que significa que nunca hemos probado sus propiedades de dureza experimentalmente. Sin embargo, forma un tipo diferente de celosía cristalina, una tetraédrica en lugar de una cúbica centrada en la cara, que es 18% más dura que el diamante, según las simulaciones más recientes.
dos diamantes del cráter Popigai, un cráter formado con la causa conocida de un impacto de meteorito. El…, el objeto a la derecha (marcado a) está compuesto puramente de diamante, mientras que el objeto a la izquierda (marcado b) es una mezcla de diamante y pequeñas cantidades de lonsdaleita. Si la lonsdaleita pudiera construirse sin impurezas de ningún tipo, sería superior en términos de resistencia y dureza al diamante puro.
Hiroaki Ohfuji et al., Nature (2015)
5.) Lonsdaleite. Imagina que tienes un meteoro lleno de carbono, y por lo tanto contiene grafito, que se precipita a través de nuestra atmósfera y choca con el planeta Tierra., Si bien es posible imaginar un meteoro cayendo como un cuerpo Increíblemente caliente, solo las capas externas se calientan; el interior permanece fresco durante la mayor parte (o incluso, potencialmente, todo) de su viaje hacia la Tierra.
al impactar con la superficie de la tierra, sin embargo, las presiones internas se vuelven más grandes que cualquier otro proceso natural en la superficie de nuestro planeta, y hacen que el grafito se comprima en una estructura cristalina. Sin embargo, no posee la celosía cúbica de un diamante, sino una celosía hexagonal, que en realidad puede lograr durezas que son 58% mayores que las que logran los diamantes., Mientras que los ejemplos reales de lonsdaleita contienen impurezas suficientes para hacerlos más blandos que los diamantes, un meteorito de grafito libre de impurezas que golpee la tierra sin duda produciría material más duro que cualquier diamante terrestre.
Esta imagen muestra un primer plano de una cuerda hecha con LIROS Dyneema SK78 hollowbraid línea. Con seguridad… clases de aplicaciones donde uno usaría una tela o una cuerda de acero, Dyneema es el material de tipo fibra más fuerte conocido por la civilización humana hoy en día.
Justsail / Wikimedia Commons
4.) Dyneema., De aquí en adelante, dejamos atrás el Reino de las sustancias naturales. Dyneema, un polímero de polietileno termoplástico, es inusual por tener un peso molecular extraordinariamente alto. La mayoría de las moléculas que conocemos son cadenas de átomos con unos pocos miles de unidades de masa atómica (protones y/o neutrones) en total. Pero UHMWPE (para polietileno de peso molecular ultra alto) tiene cadenas extremadamente largas, con una masa molecular en los millones de unidades de masa atómica.,
con cadenas muy largas para sus polímeros, las interacciones intermoleculares se fortalecen sustancialmente, creando un material muy resistente. Es tan resistente, de hecho, que tiene la mayor resistencia al impacto de cualquier termoplástico conocido. Se ha llamado la fibra más fuerte del mundo, y supera a todas las cuerdas de amarre y remolque. A pesar de ser más ligero que el agua, puede detener balas y tiene 15 veces la fuerza de una cantidad comparable de acero.
La micrografía de muesca deformada en vidrio metálico a base de paladio muestra un amplio blindaje de plástico…, una grieta inicialmente afilada. La inserción es una vista ampliada de un desplazamiento de cizalla (flecha) desarrollado durante el deslizamiento de plástico antes de que la grieta se abriera. Las microaleaciones de paladio tienen la mayor resistencia combinada y tenacidad de cualquier material conocido.
Robert Ritchie y Marios Demetriou
3.) Vidrio de microaleación de paladio. Es importante reconocer que hay dos propiedades importantes que todos los materiales físicos tienen: resistencia, que es la cantidad de fuerza que puede soportar antes de deformarse, y dureza, que es la cantidad de energía que se necesita para romperlo o fracturarlo., La mayoría de las cerámicas son fuertes pero no resistentes, se rompen con mordazas o incluso cuando se caen desde una altura modesta. Los materiales elásticos, como el caucho, pueden contener mucha energía, pero son fácilmente deformables y no son fuertes en absoluto.
La mayoría de los materiales vítreos son frágiles: fuertes pero no particularmente resistentes. Incluso el vidrio reforzado, como Pyrex o Gorilla Glass, no es particularmente resistente en la escala de los materiales., Pero en 2011, los investigadores desarrollaron un nuevo vidrio de microaleación con cinco elementos (fósforo, silicio, germanio, Plata y paladio), donde el paladio proporciona una vía para formar bandas de cizallamiento, lo que permite que el vidrio se deforme plásticamente en lugar de agrietarse. Derrota a todos los tipos de acero, así como cualquier cosa inferior en esta lista, por su combinación de resistencia y dureza. Es el material más duro para no incluir carbono.
el papel independiente hecho de nanotubos de carbono, también conocido como buckypaper, evitará el paso de…, partículas de 50 nanómetros o más. Tiene propiedades físicas, químicas, eléctricas y mecánicas únicas. Aunque se puede doblar o cortar con tijeras, es increíblemente fuerte. Con una pureza perfecta, se estima que podría alcanzar hasta 500 veces La resistencia de un volumen comparable de acero. Esta imagen muestra el papel buckypaper de NanoLab bajo un microscopio electrónico de barrido.
NANOLAB, INC.
2.) Buckypaper. Es bien sabido desde finales del siglo 20 que hay una forma de carbono que es aún más duro que los diamantes: nanotubos de carbono., Al unir el carbono en una forma hexagonal, puede sostener una estructura rígida de forma cilíndrica de manera más estable que cualquier otra estructura conocida por la humanidad. Si toma un agregado de nanotubos de carbono y crea una hoja macroscópica de ellos, puede crear una hoja delgada de ellos: buckypaper.
cada nanotubo individual tiene solo entre 2 y 4 nanómetros de ancho, pero cada uno es increíblemente fuerte y resistente. Es sólo el 10% del peso del acero, pero tiene tiene cientos de veces la fuerza., Es incombustible, extremadamente termalmente conductor, posee tremendas propiedades de blindaje electromagnético, y podría conducir a la ciencia de materiales, electrónica, aplicaciones militares e incluso biológicas. Pero buckypaper no puede estar hecho de 100% nanotubos, que es quizás lo que lo mantiene fuera del primer lugar en esta lista.
el Grafeno, en su configuración ideal, es un defecto de la red de átomos de carbono enlazados en una… disposición perfectamente hexagonal. Puede ser visto como una infinita gama de moléculas aromáticas.,
AlexanderAlUS/CORE-Materiales de flickr
1.) Graphene. Por fin: una celosía hexagonal de carbono que tiene solo un átomo de espesor. Eso es lo que es una lámina de grafeno, posiblemente el material más revolucionario que se desarrolló y utilizó en el siglo 21. Es el elemento estructural básico de los nanotubos de carbono, y las aplicaciones están creciendo continuamente. Actualmente una industria multimillonaria, se espera que el grafeno crezca hasta convertirse en una industria multimillonaria en apenas décadas.,
en proporción a su espesor, es el material más resistente conocido, es un conductor extraordinario de calor y electricidad, y es casi 100% transparente a la luz. El Premio Nobel de Física 2010 fue para Andre Geim y Konstantin Novoselov por experimentos innovadores con grafeno, y las aplicaciones comerciales solo han estado creciendo. Hasta la fecha, el grafeno es el material más delgado conocido, y la brecha de apenas seis años entre el trabajo de Geim y Novoselov y su Premio Nobel es una de las más cortas en la historia de la física.,
El K-4 de cristal se compone exclusivamente de átomos de carbono dispuestos en una rejilla, pero con un… ángulo de enlace no convencional en comparación con grafito, diamante o grafeno. Estas propiedades interatómicas pueden conducir a Propiedades físicas, químicas y materiales drásticamente diferentes, incluso con fórmulas químicas idénticas para una variedad de estructuras.
Workbit / Wikimedia Commons
la búsqueda para hacer materiales más duros, más fuertes, más resistentes a los arañazos, más ligeros, más duros, etc., probablemente nunca va a terminar., Si la humanidad puede empujar las fronteras de los materiales disponibles para nosotros más lejos que nunca, las aplicaciones de lo que se vuelve factible solo pueden expandirse. Hace generaciones, la idea de la microelectrónica, los transistores o la capacidad de manipular átomos individuales era seguramente exclusiva del Reino de la ciencia ficción. Hoy en día, son tan comunes que los damos por sentado.
a medida que nos lanzamos con fuerza a la era de la nanotecnología, materiales como los descritos aquí se vuelven cada vez más importantes y ubicuos para nuestra calidad de vida., Es algo maravilloso vivir en una civilización donde los diamantes ya no son el material más difícil conocido; los avances científicos que hacemos benefician a la sociedad en su conjunto. A medida que se desarrolla el siglo 21, todos veremos lo que de repente se hace posible con estos nuevos materiales.