Atomic és molekuláris konfigurációk jönnek egy közel végtelen számú lehetséges kombinációk, de a… bármely anyagban található specifikus kombinációk meghatározzák annak tulajdonságait. Míg a gyémántokat klasszikusan tekintik a Földön található legnehezebb anyagnak,ezek nem a legerősebb anyag, sem a legerősebb természetben előforduló anyag., Jelenleg hatféle anyag létezik, amelyekről ismert, hogy erősebbek, bár ez a szám várhatóan növekedni fog az idő múlásával.
Max Pixel
a szén az egyik legérdekesebb elem a természetben, kémiai és fizikai tulajdonságokkal, mint bármely más elem. Mindössze hat proton van a magjában, ez a legkönnyebb bőséges elem, amely képes összetett kötések egy részét képezni. Az élet minden ismert formája szénalapú, mivel atomtulajdonságai lehetővé teszik, hogy egyszerre akár négy másik atomhoz is kapcsolódjon., Ezeknek a kötéseknek a lehetséges geometriái lehetővé teszik a szén önálló összeszerelését, különösen nagy nyomás alatt, stabil kristályrácsba. Ha a feltételek megfelelőek, a szénatomok szilárd, ultra-kemény szerkezetet képezhetnek, amelyet gyémántnak neveznek.
bár a gyémántok általánosan ismert, mint a legnehezebb anyag a világon, valójában hat anyagok, amelyek nehezebbek. A gyémántok még mindig az egyik legkeményebb természetben előforduló és bőséges anyag a Földön, de ez a hat anyag mind megverte.,
A Darwin kéregpókjának hálója a legnagyobb gömb típusú háló, amelyet a Föld bármely pókja termel, és… a Darwin kéregpók selyemje a legerősebb bármilyen típusú pók selyemből. A leghosszabb egyszálú mérjük 82 láb; egy szál, amely körözött az egész föld súlya mindössze 1 font.
Carles Lalueza-Fox, Ingi Agnarsson, Matjaž Kuntner, Todd A., Blackledge (2010)
tiszteletreméltó említés: három földi anyag van, amelyek nem olyan kemények, mint a gyémánt, de még mindig rendkívül érdekesek erejük miatt a különféle divatokban. A nanotechnológia megjelenésével-a modern anyagok nanoméretű megértésének fejlesztése mellett-most már felismerjük, hogy számos különböző mérőszám létezik a fizikailag érdekes és extrém anyagok értékelésére.
a biológiai oldalon a pók selyem hírhedt, mint a legkeményebb., Nagyobb szilárdság-tömeg arány mellett, mint a legtöbb hagyományos anyag, mint az alumínium vagy az acél, az is figyelemre méltó, hogy mennyire vékony és ragacsos. A világ összes pókja közül Darwin kéregpókjai a legnehezebbek: tízszer erősebbek, mint a kevlar. Olyan vékony és könnyű, hogy körülbelül egy font (454 gramm) Darwin kéregpók selyemből egy szál elég hosszú ahhoz, hogy nyomon kövesse az egész bolygó kerületét.
szilícium-karbid, itt látható az összeszerelés után, általában a természet apró töredékei…, előforduló ásványi moissanite. A szemeket össze lehet szinterezni, hogy összetett, gyönyörű struktúrákat képezzenek,mint például az itt látható anyagmintában. Majdnem olyan kemény, mint a gyémánt, szintetikusan szintetizálódik, és az 1800-as évek vége óta természetes módon ismert.
Scott Horvath, USGS
egy természetben előforduló ásványi anyag esetében a szilícium — karbid — amely természetesen moissanit formájában található-csak kissé kisebb keménységű, mint a gyémánt. (Ez még mindig nehezebb, mint bármely pók selyem.,) A szilícium és a szén kémiai keveréke, amely a periódusos rendszerben ugyanazt a családot foglalja el, mint a másik, a szilícium-karbid szemcséket 1893 óta tömegesen állítják elő. Lehet kapcsolódik össze keresztül nagynyomású de alacsony hőmérsékletű folyamat néven ismert szinterezés, hogy hozzon létre rendkívül kemény kerámia anyagok.,
Ezek az anyagok nemcsak a keménység előnyeit kihasználó alkalmazások, például az autófékek és tengelykapcsolók, a golyóálló mellények lemezei, sőt a tartályokhoz alkalmas harci páncél is hasznosak, hanem hihetetlenül hasznos félvezető tulajdonságokkal is rendelkeznek az elektronikában való használatra.
rendezett pillér tömbök, itt látható zöld, már használják a tudósok, mint a fejlett porózus média… különítse el a különböző anyagokat. A szilícium-dioxid nanoszférák beágyazásával itt a tudósok növelhetik a vegyes anyagok elválasztására és kiszűrésére használt felületet., Az itt bemutatott nanoszférák csak egy konkrét példa a nanoszférákra, az önszerelő fajta szinte megegyezik a gyémántokkal az anyagi szilárdság érdekében.
Oak Ridge National Laboratories / flickr
az 50 nanométeres átmérőjű apró szilícium-dioxid-gömböket mindössze 2 nanométerre hozták létre először mintegy 20 évvel ezelőtt az Energiaügyi Minisztérium Sandia Nemzeti laboratóriumaiban., Ami figyelemre méltó ezekben a nanoszférákban, az az, hogy üregesek, gömbökbe tömörülnek, és még egymásba is fészkelnek, miközben az emberiség számára ismert legmerevebb anyag marad, csak kissé kevésbé kemény, mint a gyémántok.
az önszerelés hihetetlenül hatékony eszköz a természetben, de a biológiai anyagok gyengék a szintetikusokhoz képest. Ezek az önszerelő nanorészecskék felhasználhatók egyedi anyagok létrehozására a jobb víztisztítóktól a hatékonyabb napelemekig, a gyorsabb katalizátoroktól a következő generációs elektronikáig., Ezeknek az önszerelő nanoszféráknak az álomtechnológiája azonban nyomtatható testpáncél, amely a felhasználó specifikációihoz igazodik.
A gyémántok örökre forgalomba hozhatók, de hőmérsékletük és nyomáshatáraik ugyanúgy vannak, mint bármelyik… egyéb hagyományos anyag. Bár a legtöbb földi anyag nem képes megkarcolni egy gyémántot, hat olyan anyag van, amelyek-legalábbis sok méréssel-erősebbek és/vagy keményebbek, mint ezek a természetben előforduló szénrácsok.,
Getty
A gyémántok természetesen keményebbek, mint ezek, és még mindig a 7. helyen vannak a Földön található vagy létrehozott legnehezebb anyagok minden idők listáján. Annak ellenére, hogy mind a természetes (de ritka) anyagok, mind a szintetikus, ember alkotta anyagok felülmúlták őket, még mindig fontos rekordot tartanak.
A gyémántok továbbra is a leginkább karcálló anyag, amelyet az emberiség ismert. A fémek, mint például a titán, sokkal kevésbé karcállóak, sőt a rendkívül kemény kerámiák vagy a volfrám-karbid sem versenyezhet a gyémántokkal keménység vagy karcállóság szempontjából., Más kristályok, amelyek extrém keménységükről ismertek, például rubinok vagy zafírok, még mindig elmaradnak a gyémántoktól.
de hat anyag még a vaunted diamond beat keménység szempontjából is.
ugyanúgy, mint a szén, különféle konfigurációkba összeszerelhető, a bór-nitrid felveheti… amorf, hatszögletű, köbös vagy tetraéderes (wurtzite) konfigurációk. A bór-nitrid szerkezete wurtzite konfigurációjában erősebb, mint a gyémántok., A bór-nitrid nanocsövek, aerogélek, valamint számos más érdekes alkalmazás készítésére is használható.
Benjah-bmm27 / public domain
6.) Wurtzite bór-nitrid. A szén helyett kristályt készíthet számos más atomból vagy vegyületből, ezek közül az egyik a bór-nitrid (BN), ahol a periódusos rendszer 5.és 7. elemei különböző lehetőségeket alkotnak. Lehet amorf (nem kristályos), hatszögletű (hasonló a grafithoz), köbös (hasonló a gyémánthoz, de kissé gyengébb), valamint a wurtzit forma.,
az utolsó ilyen forma rendkívül ritka, de rendkívül nehéz is. Vulkánkitörések során keletkezett, csak apró mennyiségben fedezték fel, ami azt jelenti, hogy soha nem teszteltük kísérletileg keménységi tulajdonságait. A legfrissebb szimulációk szerint azonban másfajta kristályrácsot képez — tetraédert az arcközpontú köbös helyett -, amely 18% — kal nehezebb, mint a gyémánt.
két gyémánt a Popigai kráterből, egy kráter, amely a meteor sztrájk ismert okával alakult ki. A…, a jobb oldali objektum (a jelöléssel) tisztán gyémántból áll, míg a bal oldali objektum (B jelöléssel) gyémánt és kis mennyiségű lonsdaleit keveréke. Ha a lonsdaleitet bármilyen típusú szennyeződés nélkül lehetne felépíteni, akkor a szilárdság és a keménység szempontjából jobb lenne, mint a tiszta gyémánt.
Hiroaki Ohfuji et al., Nature (2015)
5.) Lonsdaleite. Képzeld el, hogy van egy meteor tele szénnel, és ezért grafitot tartalmazó, hogy száguld át a légkör és ütközik a Föld bolygó., Bár lehet elképzelni egy eső meteor, mint hihetetlenül forró test, ez csak a külső rétegek válnak forró; a belseje hűvös marad a legtöbb (vagy akár, potenciálisan, minden) az utazás a Föld felé.
a Föld felszínével való ütközés esetén azonban a belső nyomás nagyobb lesz, mint bármely más természetes folyamat a bolygónk felszínén, és a grafit kristályszerkezetbe tömörül. Nem rendelkezik a gyémánt köbös rácsával, hanem egy hatszögletű rács, amely valójában olyan keménységeket érhet el, amelyek 58% – kal nagyobbak, mint amit a gyémántok elérnek., Míg a Lonsdaleit valódi példái elegendő szennyeződést tartalmaznak ahhoz, hogy lágyabbá tegyék őket, mint a gyémántok, a Földet sújtó szennyeződésmentes grafit meteorit kétségtelenül nehezebb anyagot termelne, mint bármely földi gyémánt.
Ez a kép egy LIROS Dyneema SK78 hollowbraid vonallal készített kötél közeli képét mutatja. Biztosan… olyan alkalmazások osztályai, ahol szövetet vagy acélkötélt használnának, a Dyneema a legerősebb rost típusú anyag, amelyet az emberi civilizáció ma ismert.
Justsail / Wikimedia Commons
4.) Dinasztiabeli., Innentől kezdve magunk mögött hagyjuk a természetben előforduló anyagok birodalmát. A Dyneema, egy hőre lágyuló polietilén polimer, szokatlan, hogy rendkívül nagy molekulatömegű. A legtöbb ismert molekula néhány ezer atomtömegegységgel (protonok és/vagy neutronok) rendelkező atomlánc. De az UHMWPE (az ultra-nagy molekulatömegű polietilénhez) rendkívül hosszú láncokkal rendelkezik, molekulatömeggel az atomtömeg millióiban.,
a polimerekhez nagyon hosszú láncokkal az intermolekuláris kölcsönhatások jelentősen megerősödnek, ami nagyon kemény anyagot hoz létre. Ez annyira kemény, sőt, hogy a legnagyobb ütésállóság minden ismert hőre lágyuló. A világ legerősebb rostjának nevezték, és felülmúlja az összes kikötőkötelet és vontatókötelet. Annak ellenére, hogy könnyebb, mint a víz, megállíthatja a golyókat, és 15-ször akkora szilárdságú, mint egy hasonló mennyiségű acél.
Micrograph deformált bevágás palládium alapú fémüveg mutatja kiterjedt műanyag árnyékolás…, kezdetben éles repedés. Inset egy nagyított nézet nyírási eltolás (nyíl) során kifejlesztett műanyag csúszó, mielőtt a repedés kinyílt. A palládium mikroötvözetek minden ismert anyag legnagyobb együttes erejével és szívósságával rendelkeznek.
Robert Ritchie és Marios Demetriou
3.) Palládium mikroallóüveg. Fontos felismerni, hogy minden fizikai anyagnak két fontos tulajdonsága van: az erő, amely mennyi erőt képes ellenállni, mielőtt deformálódik, és a szívósság, azaz mennyi energiát vesz igénybe a törés vagy törés., A legtöbb kerámia erős, de nem kemény, összetörve a markolatokkal, vagy akkor is, ha csak szerény magasságból esik le. A rugalmas anyagok, mint például a gumi, sok energiát tarthatnak, de könnyen deformálhatók, egyáltalán nem erősek.
a legtöbb üveges anyag törékeny: erős, de nem különösebben kemény. Még a megerősített üveg, mint a Pyrex vagy a Gorilla Glass, nem különösebben kemény az anyagok skáláján., 2011-ben azonban a kutatók kifejlesztettek egy új, öt elemből (foszfor, szilícium, germánium, ezüst és palládium) álló mikroallóüveget, ahol a palládium utat biztosít a nyírszalagok kialakításához, lehetővé téve az üveg plasztikusan deformálódását, nem pedig repedését. Legyőzi az összes típusú acélt, valamint bármi alacsonyabbat ezen a listán, mind az erő, mind a szívósság kombinációja miatt. Ez a legnehezebb anyag, amely nem tartalmaz szenet.
szabadon álló papír szén nanocsövek, más néven buckypaper, megakadályozza a folyosón…, részecskék 50 nanométer vagy annál nagyobb. Egyedülálló fizikai, kémiai, elektromos és mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik. Bár ollóval hajtogatható vagy vágható, hihetetlenül erős. A tökéletes tisztasággal becslések szerint akár 500-szor is elérheti a hasonló mennyiségű acél szilárdságát. Ez a kép a NanoLab buckypaperét mutatja egy pásztázó elektronmikroszkóp alatt.
NANOLAB, INC.
2.) Buckypaper. A 20. század vége óta jól ismert, hogy van egy olyan szénforma, amely még nehezebb, mint a gyémántok: szén nanocsövek., A szén hatszögletű alakba való összekapcsolásával stabilabb merev hengeres szerkezetet képes tartani, mint bármely más, az emberiség számára ismert szerkezet. Ha egy szén nanocsövek összességét vesszük, és makroszkopikus lapot hozunk létre belőlük, akkor egy vékony lapot hozhatunk létre belőlük: buckypaper.
minden egyes nanocső mindössze 2-4 nanométer átmérőjű, de mindegyik hihetetlenül erős és kemény. Csak 10% az acél súlya, de több százszor erősebb., Tűzálló, rendkívül hővezető, hatalmas elektromágneses árnyékoló tulajdonságokkal rendelkezik, és anyagtudományhoz, elektronikához, katonai, sőt biológiai alkalmazásokhoz vezethet. De a buckypaper nem készíthető 100% nanocsövekből,ami talán az, ami a lista első helyén tartja.
a grafén ideális konfigurációjában az a-BA kötött szénatomok hibamentes hálózata… tökéletesen hatszögletű elrendezés. Meg lehet tekinteni, mint egy végtelen tömb aromás molekulák.,
AlexanderAlUS/CORE-anyagok flickr
1.) Grafén. Végül: egy hatszögletű szénrács, amely csak egy atom vastag. Ez az, amit egy grafén lap, vitathatatlanul a leginkább forradalmi anyag, amelyet a 21. században kell kifejleszteni és felhasználni. Ez a szén nanocsövek alapvető szerkezeti eleme, az alkalmazások folyamatosan növekednek. Jelenleg több millió dolláros iparág, grafén várhatóan növekedni fog egy több milliárd dolláros ipar puszta évtizedek.,
vastagságának arányában a legerősebb anyag ismert, rendkívüli vezető mind a hő, mind a villamos energia számára, és közel 100% – ban átlátszó a fény számára. A 2010-es fizikai Nobel-díjat Andre Geim és Konstantin Novoselov kapta a grafénnel kapcsolatos úttörő kísérletekért, és a kereskedelmi alkalmazások csak növekedtek. A mai napig a grafén a legvékonyabb ismert anyag, és a mindössze hatéves különbség Geim és Novoszelov munkája és Nobel-díja között az egyik legrövidebb a fizika történetében.,
A K-4 kristály kizárólag rácsban elrendezett szénatomokból áll, de an-val… nem szokványos kötési szög a grafithoz képest, gyémánt, vagy grafén. Ezek az atomok közötti tulajdonságok drasztikusan eltérő fizikai, kémiai és anyagtulajdonságokhoz vezethetnek, még akkor is, ha azonos kémiai képletek vannak a különböző struktúrákhoz.
Workbit / Wikimedia Commons
az a törekvés, hogy az anyagok nehezebbek, erősebbek, karcolásállóbbak, könnyebbek, keményebbek stb., valószínűleg soha nem fog véget érni., Ha az emberiség messzebbre tudja tolni a rendelkezésünkre álló anyagok határait, mint valaha, akkor a megvalósíthatóvá vált alkalmazások csak kibővülhetnek. Nemzedékekkel ezelőtt a mikroelektronika, a tranzisztorok vagy az egyes atomok manipulálásának képessége minden bizonnyal kizárólag a tudományos-fantasztikus birodalomra vonatkozott. Ma annyira gyakoriak, hogy mindet magától értetődőnek vesszük.
ahogy a nanotechnológiai korba teljes erővel behatolunk, az itt leírtakhoz hasonló anyagok egyre fontosabbá és mindenütt jelen vannak életminőségünkben., Csodálatos dolog egy olyan civilizációban élni, ahol a gyémántok már nem a legnehezebb ismert anyag; a tudományos előrelépések, amelyeket a társadalom egészének javára teszünk. Ahogy a 21. század kibontakozik, mindannyian látni fogjuk, mi válik hirtelen lehetségessé ezekkel az új anyagokkal.