Le configurazioni atomiche e molecolari sono disponibili in un numero quasi infinito di combinazioni possibili, ma il… combinazioni specifiche trovate in qualsiasi materiale determinano le sue proprietà. Mentre i diamanti sono classicamente visti come il materiale più duro trovato sulla Terra, non sono né il materiale più forte in generale, né anche il più forte materiale naturale., Ci sono, attualmente, sei tipi di materiali che sono noti per essere più forte, anche se tale numero è destinato ad aumentare con il passare del tempo.
Max Pixel
Il carbonio è uno degli elementi più affascinanti di tutta la natura, con proprietà chimiche e fisiche diverse da qualsiasi altro elemento. Con soli sei protoni nel suo nucleo, è l’elemento più leggero e abbondante in grado di formare una sfilza di legami complessi. Tutte le forme di vita conosciute sono a base di carbonio, poiché le sue proprietà atomiche gli consentono di collegarsi con fino a quattro altri atomi alla volta., Le possibili geometrie di tali legami consentono anche al carbonio di autoassemblarsi, in particolare sotto alte pressioni, in un reticolo cristallino stabile. Se le condizioni sono giuste, gli atomi di carbonio possono formare una struttura solida e ultra-dura nota come diamante.
Anche se i diamanti comunemente noti come il materiale più duro del mondo, ci sono in realtà sei materiali che sono più difficili. I diamanti sono ancora uno dei materiali più duri presenti in natura e abbondanti sulla Terra, ma questi sei materiali hanno tutti battuto.,
La ragnatela della corteccia di Darwin è la più grande ragnatela di tipo globo prodotta da qualsiasi ragno sulla Terra, e… la seta del ragno di corteccia di Darwin è la più forte di qualsiasi tipo di seta di ragno. Il singolo filo più lungo è misurato a 82 piedi; un filo che circondava l’intera Terra peserebbe solo 1 libbra.
Carles Lalueza-Fox, Ingi Agnarsson, Matjaž Kuntner, Todd A., Blackledge (2010)
Menzione d’onore: ci sono tre materiali terrestri che non sono così duri come il diamante, ma sono ancora notevolmente interessanti per la loro forza in una varietà di mode. Con l’avvento della nanotecnologia — accanto allo sviluppo della comprensione su scala nanometrica dei materiali moderni — ora riconosciamo che ci sono molte metriche diverse per valutare materiali fisicamente interessanti ed estremi.
Sul lato biologico, la seta di ragno è nota come la più dura., Con un rapporto resistenza-peso più elevato rispetto alla maggior parte dei materiali convenzionali come l’alluminio o l’acciaio, è anche notevole per quanto sia sottile e appiccicoso. Di tutti i ragni del mondo, i ragni della corteccia di Darwin hanno il più duro: dieci volte più forte del kevlar. È così sottile e leggero che circa un chilo (454 grammi) di seta di ragno della corteccia di Darwin comporterebbe un filo abbastanza lungo da tracciare la circonferenza dell’intero pianeta.
Il carburo di silicio, mostrato qui dopo l’assemblaggio, si trova normalmente come piccoli frammenti del naturale…, si verificano moissanite minerale. I grani possono essere sinterizzati insieme per formare strutture complesse e belle come quella mostrata qui in questo campione di materiale. È quasi duro come il diamante ed è stato sintetizzato sinteticamente e conosciuto naturalmente dalla fine del 1800.
Scott Horvath, USGS
Per un minerale naturale, il carburo di silicio-trovato naturalmente sotto forma di moissanite — ha solo una durezza leggermente inferiore rispetto ai diamanti. (È ancora più difficile di qualsiasi seta di ragno.,) Un mix chimico di silicio e carbonio, che occupano la stessa famiglia nella tavola periodica l’uno dell’altro, i grani di carburo di silicio sono stati prodotti in serie dal 1893. Possono essere legati insieme attraverso un processo ad alta pressione ma a bassa temperatura noto come sinterizzazione per creare materiali ceramici estremamente duri.,
Questi materiali non sono solo utili in un’ampia varietà di applicazioni che sfruttano la durezza, come freni e frizioni per auto, piastre in giubbotti antiproiettile e persino armature da battaglia adatte ai carri armati, ma hanno anche proprietà di semiconduttori incredibilmente utili per l’uso in elettronica.
Gli array di pilastri ordinati, mostrati qui in verde, sono stati utilizzati dagli scienziati come mezzi porosi avanzati per… separare i vari materiali. Incorporando nanosfere di silice, qui, gli scienziati possono aumentare la superficie utilizzata per separare e filtrare i materiali misti., Le nanosfere mostrate qui sono solo un particolare esempio di nanosfere e la varietà autoassemblante è quasi alla pari con i diamanti per la resistenza del materiale.
Oak Ridge National Laboratories/flickr
Minuscole sfere di silice, da 50 nanometri di diametro fino a soli 2 nanometri, sono state create per la prima volta circa 20 anni fa presso i Sandia National Laboratories del Dipartimento dell’Energia., La cosa notevole di queste nanosfere è che sono cave, si autoassemblano in sfere, e possono persino nidificare l’una dentro l’altra, pur rimanendo il materiale più rigido conosciuto dall’umanità, solo leggermente meno duro dei diamanti.
L’autoassemblaggio è uno strumento incredibilmente potente in natura, ma i materiali biologici sono deboli rispetto a quelli sintetici. Queste nanoparticelle autoassemblanti potrebbero essere utilizzate per creare materiali personalizzati con applicazioni da depuratori d’acqua migliori a celle solari più efficienti, da catalizzatori più veloci all’elettronica di nuova generazione., La tecnologia dei sogni di queste nanosfere autoassemblanti, tuttavia, è un’armatura stampabile, personalizzata secondo le specifiche dell’utente.
I diamanti possono essere commercializzati come forever, ma hanno limiti di temperatura e pressione come tutti… altro materiale convenzionale. Mentre la maggior parte dei materiali terrestri non può graffiare un diamante, ci sono sei materiali che, almeno da molte misure, sono più forti e/o più duri di questi reticoli di carbonio presenti in natura.,
Getty
I diamanti, ovviamente, sono più duri di tutti questi, e sono ancora al numero 7 nella lista di tutti i tempi dei materiali più duri trovati o creati sulla Terra. Nonostante siano stati superati sia da altri materiali naturali (ma rari) che da quelli sinetetici e fatti dall’uomo, detengono ancora un record importante.
I diamanti rimangono il materiale più resistente ai graffi noto all’umanità. Metalli come il titanio sono molto meno resistenti ai graffi, e anche la ceramica estremamente dura o il carburo di tungsteno non possono competere con i diamanti in termini di durezza o resistenza ai graffi., Altri cristalli che sono noti per la loro estrema durezza, come rubini o zaffiri, sono ancora a corto di diamanti.
Ma sei materiali hanno anche il decantato diamond beat in termini di durezza.
Proprio come il carbonio può essere assemblato in una varietà di configurazioni, il nitruro di boro può assumere… configurazioni amorfe, esagonali, cubiche o tetraedriche (wurtzite). La struttura del nitruro di boro nella sua configurazione di wurtzite è più forte dei diamanti., Il nitruro di boro può anche essere usato per costruire nanotubi, aerogel e un’ampia varietà di altre applicazioni affascinanti.
Benjah-bmm27/dominio pubblico
6.) Nitruro di boro di Wurtzite. Invece del carbonio, puoi creare un cristallo da un certo numero di altri atomi o composti, e uno di questi è il nitruro di boro (BN), dove il 5 ° e il 7 ° elemento sulla tavola periodica si uniscono per formare una varietà di possibilità. Può essere amorfo (non cristallino), esagonale (simile alla grafite), cubico (simile al diamante, ma leggermente più debole) e la forma wurtzite.,
L’ultima di queste forme è sia estremamente rara, ma anche estremamente difficile. Formatosi durante le eruzioni vulcaniche, è stato scoperto solo in piccole quantità, il che significa che non abbiamo mai testato le sue proprietà di durezza sperimentalmente. Tuttavia, forma un diverso tipo di reticolo cristallino — uno tetraedrico invece di uno cubico centrato sulla faccia-che è 18% più duro del diamante, secondo le simulazioni più recenti.
Due diamanti dal cratere Popigai, un cratere formato con la nota causa di un attacco meteorico. Il…, l’oggetto a destra (contrassegnato a) è composto esclusivamente di diamante, mentre l’oggetto a sinistra (contrassegnato b) è una miscela di diamante e piccole quantità di lonsdaleite. Se la lonsdaleite potesse essere costruita senza impurità di alcun tipo, sarebbe superiore in termini di resistenza e durezza al diamante puro.
Hiroaki Ohfuji et al., Natura (2015)
5.) Lonsdaleite. Immagina di avere una meteora piena di carbonio, e quindi contenente grafite, che sfreccia attraverso la nostra atmosfera e si scontra con il pianeta Terra., Mentre potresti immaginare una meteora che cade come un corpo incredibilmente caldo, sono solo gli strati esterni che diventano caldi; gli interni rimangono freschi per la maggior parte (o anche, potenzialmente, tutti) del loro viaggio verso la Terra.
All’impatto con la superficie terrestre, tuttavia, le pressioni all’interno diventano più grandi di qualsiasi altro processo naturale sulla superficie del nostro pianeta e causano la compressione della grafite in una struttura cristallina. Tuttavia, non possiede il reticolo cubico di un diamante, ma un reticolo esagonale, che può effettivamente ottenere durezze superiori del 58% rispetto a quelle ottenute dai diamanti., Mentre esempi reali di Lonsdaleite contengono impurità sufficienti a renderli più morbidi dei diamanti, un meteorite di grafite privo di impurità che colpisce la Terra produrrebbe senza dubbio materiale più duro di qualsiasi diamante terrestre.
Questa immagine mostra un primo piano di una corda realizzata con la linea LIROS Dyneema SK78 hollowbraid. Di sicuro… classi di applicazioni in cui si userebbe un tessuto o una corda d’acciaio, Dyneema è il più forte materiale di tipo fibra noto alla civiltà umana oggi.
Justsail / Wikimedia Commons
4.) Dyneema., Da qui in poi, lasciamo il regno delle sostanze naturali alle spalle. Dyneema, un polimero di polietilene termoplastico, è insolito per avere un peso molecolare straordinariamente alto. La maggior parte delle molecole che conosciamo sono catene di atomi con poche migliaia di unità di massa atomica (protoni e/o neutroni) in totale. Ma UHMWPE (per polietilene ultra-alto peso molecolare) ha catene estremamente lunghe, con una massa molecolare nei milioni di unità di massa atomica.,
Con catene molto lunghe per i loro polimeri, le interazioni intermolecolari sono sostanzialmente rafforzate, creando un materiale molto resistente. È così duro, infatti, che ha la più alta resistenza all’impatto di qualsiasi termoplastico noto. È stata definita la fibra più forte del mondo e supera tutte le funi di ormeggio e traino. Pur essendo più leggero dell’acqua, può fermare i proiettili e ha 15 volte la forza di una quantità paragonabile di acciaio.
Il micrografo di tacca deformata in vetro metallico a base di palladio mostra un’ampia schermatura in plastica di…, una crepa inizialmente acuta. Inset è una vista ingrandita di un offset di taglio (freccia) sviluppato durante lo scorrimento di plastica prima che la fessura si aprisse. Le microleghe di palladio hanno la più alta resistenza e tenacità combinate di qualsiasi materiale noto.
Robert Ritchie e Marios Demetriou
3.) Vetro in microlega di palladio. È importante riconoscere che ci sono due proprietà importanti che tutti i materiali fisici hanno: forza, che è quanta forza può sopportare prima che si deformi, e tenacità, che è quanta energia ci vuole per rompere o fratturarlo., La maggior parte delle ceramiche sono forti ma non resistenti, frantumando con morse o anche quando cadono da un’altezza modesta. I materiali elastici, come la gomma, possono contenere molta energia ma sono facilmente deformabili e non sono affatto forti.
La maggior parte dei materiali vetrosi sono fragili: resistenti ma non particolarmente resistenti. Anche il vetro rinforzato, come il Pyrex o il Gorilla Glass, non è particolarmente resistente sulla scala dei materiali., Ma nel 2011, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo vetro microlega con cinque elementi (fosforo, silicio, germanio, argento e palladio), dove il palladio fornisce un percorso per formare bande di taglio, permettendo al vetro di deformarsi plasticamente piuttosto che crack. Sconfigge tutti i tipi di acciaio, così come qualsiasi cosa inferiore in questa lista, per la sua combinazione di resistenza e tenacità. È il materiale più difficile da non includere carbonio.
Carta Freestanding fatta di nanotubi di carbonio, aka buckypaper, impedirà il passaggio di…, particelle 50 nanometri e più grandi. Ha proprietà fisiche, chimiche, elettriche e meccaniche uniche. Anche se può essere piegato o tagliato con le forbici, è incredibilmente forte. Con una purezza perfetta, si stima che potrebbe raggiungere fino a 500 volte la resistenza di un volume comparabile di acciaio. Questa immagine mostra la carta buckypaper di NanoLab sotto un microscopio elettronico a scansione.
NANOLAB, INC.
2.) Carta da zucchero. È ben noto dalla fine del 20 ° secolo che esiste una forma di carbonio che è ancora più dura dei diamanti: i nanotubi di carbonio., Legando il carbonio insieme in una forma esagonale, può contenere una struttura rigida a forma cilindrica più stabile di qualsiasi altra struttura nota all’umanità. Se si prende un aggregato di nanotubi di carbonio e creare un foglio macroscopico di loro, è possibile creare un foglio sottile di loro: buckypaper.
Ogni singolo nanotubo è solo tra 2 e 4 nanometri in tutto, ma ognuno è incredibilmente forte e resistente. È soltanto 10% il peso di acciaio ma ha ha centinaia di volte la forza., È a prova di fuoco, estremamente termicamente conduttivo, possiede enormi proprietà di schermatura elettromagnetica e potrebbe portare a scienza dei materiali, elettronica, applicazioni militari e persino biologiche. Ma buckypaper non può essere fatto di 100% nanotubi, che è forse ciò che lo tiene fuori dal primo posto in questa lista.
Il grafene, nella sua configurazione ideale, è una rete priva di difetti di atomi di carbonio legati in a… disposizione perfettamente esagonale. Può essere visto come una serie infinita di molecole aromatiche.,
AlexanderAlUS / CORE-Materiali di flickr
1.) Grafene. Finalmente: un reticolo di carbonio esagonale che è solo un singolo atomo di spessore. Questo è ciò che è un foglio di grafene, probabilmente il materiale più rivoluzionario da sviluppare e utilizzare nel 21 ° secolo. È l’elemento strutturale di base dei nanotubi di carbonio stessi, e le applicazioni sono in continua crescita. Attualmente un’industria multimilionaria, il grafene dovrebbe crescere in un’industria multimilionaria in soli decenni.,
In proporzione al suo spessore, è il materiale più forte conosciuto, è uno straordinario conduttore di calore ed elettricità ed è quasi trasparente al 100% alla luce. Il premio Nobel per la fisica 2010 è andato ad Andre Geim e Konstantin Novoselov per esperimenti innovativi che coinvolgono grafene, e le applicazioni commerciali sono stati solo in crescita. Ad oggi, il grafene è il materiale più sottile conosciuto, e il divario di soli sei anni tra il lavoro di Geim e Novoselov e il loro premio Nobel è uno dei più brevi nella storia della fisica.,
Il cristallo K-4 è costituito esclusivamente da atomi di carbonio disposti in un reticolo, ma con un… angolo di legame non convenzionale rispetto a grafite, diamante o grafene. Queste proprietà interatomiche possono portare a proprietà fisiche, chimiche e materiali drasticamente diverse anche con formule chimiche identiche per una varietà di strutture.
Workbit/Wikimedia Commons
La ricerca di rendere i materiali più duri, più resistenti, più resistenti ai graffi, più leggeri, più resistenti, ecc., probabilmente non finirà mai., Se l’umanità può spingere le frontiere dei materiali a nostra disposizione più lontano che mai, le applicazioni per ciò che diventa fattibile non possono che espandersi. Generazioni fa, l’idea della microelettronica, dei transistor o della capacità di manipolare singoli atomi era sicuramente esclusiva del regno della fantascienza. Oggi, sono così comuni che li diamo tutti per scontati.
Mentre sfrecciamo a pieno ritmo nell’era delle nanotecnologie, materiali come quelli qui descritti diventano sempre più importanti e onnipresenti per la nostra qualità di vita., È una cosa meravigliosa vivere in una civiltà in cui i diamanti non sono più il materiale più difficile conosciuto; i progressi scientifici che facciamo avvantaggiano la società nel suo complesso. Come il 21 ° secolo si svolge, saremo tutti arrivare a vedere ciò che diventa improvvisamente possibile con questi nuovi materiali.