Det Er 6 ‘Sterkeste Materialer På Jorden Som Er Vanskeligere Enn Diamanter

Carbon er en av de mest fascinerende elementer i all natur, med kjemiske og fysiske egenskaper i motsetning til alle andre element. Med bare seks protoner i sin kjerne, det er den letteste rikelig element i stand til å danne en slew av komplekse obligasjoner. Alle kjente former for liv er karbon-basert, som sin atom-egenskaper gjør det mulig å koble opp med opp til fire andre atomer på en gang., Det er mulig geometrier av de obligasjoner også aktivere karbon til selv å sette sammen, spesielt under høyt trykk, til en stabil crystal gitter. Hvis forholdene er akkurat, karbon-atomer kan danne et solid, ultra-hard struktur kjent som en diamant.

Selv om diamanter kjent som den hardeste stoffet i verden, det er faktisk seks materialer som er vanskeligere. Diamanter er fortsatt en av de vanskeligste naturlig forekommende og rikt materiale på Jorden, men disse seks materialer alle har det slo.,

Hederlig omtale: det er tre terrestrisk materiale som ikke er fullt så hardt som diamant, men er fortsatt utrolig interessant for sin styrke i et utvalg av mote. Med bruk av nanoteknologi — sammen med utviklingen av nanoskala forståelser av moderne materialer — vi aksepterer nå at det er mange forskjellige beregninger for å vurdere fysisk interessant og ekstreme materialer.

På den biologiske siden, spider silke er kjent som den tøffeste., Med en høyere styrke-til-vekt-forhold enn de fleste konvensjonelle materialer som aluminium eller stål, det er også bemerkelsesverdig for hvor tynn og klebrig det er. Av alle edderkopper i verden, Darwin ‘ s bark edderkopper har den tøffeste: ti ganger sterkere enn kevlar. Det er så tynn og lett at omtrent en pund (454 gram) av Darwin ‘ s bark edderkopp silke ville lage en tråd lenge nok til å spore ut omkretsen av hele planeten.

For et naturlig forekommende mineral, silisiumkarbid — som finnes naturlig i form av moissanite — er bare litt mindre i hardhet enn diamanter. (Det er likevel vanskeligere enn noen edderkopp silke.,) En kjemisk blanding av silisium og karbon, som opptar samme familie i den periodiske tabell som en annen, silisiumkarbid korn har blitt masseprodusert siden 1893. De kan være bundet sammen gjennom en high-press, men lav temperatur prosess som er kjent som sintring å lage ekstremt harde keramiske materialer.,

Disse materialene er ikke bare nyttig i en rekke programmer som kan dra nytte av hardhet, for eksempel bil bremser og clutcher, plater i skuddsikkert vester, og enda kamp rustning egnet for tanker, men har også utrolig nyttig halvledende egenskaper for bruk i elektronikk.

Små silica sfærer, fra 50 nanometer i diameter ned til kun 2 nanometer, ble opprettet for første gang noen for 20 år siden ved Institutt for Energi er Sandia National Laboratories., Hva er bemerkelsesverdig om disse nanospheres er at de er hule, er de selv-montere i sfærer, og de kan også hekke inne i en annen, mens resterende den stiffest materiale kjent for menneskeheten, bare litt mindre hardt enn diamanter.

selvbygging er et utrolig kraftig verktøy i naturen, men biologisk materiale som er svake i forhold til de syntetiske. Disse selv-montering av nanopartikler kan brukes til å opprette tilpassede materialer med programmer fra bedre water purifiers til mer effektive solceller, fra raskere katalysatorer til neste generasjons elektronikk., Drømmen teknologi av disse selv-montering nanospheres, skjønt, er utskrivbare kroppen rustning, tilpasset til brukerens spesifikasjoner.

Diamanter, selvfølgelig, er hardere enn alle disse, og fortsatt klokke i på #7 på all-time listen over hardeste materialet som er funnet eller som er opprettet på Jorden. Til tross for at de har blitt forbigått av både andre naturlige (men sjelden) materialer og synethetic, human-laget de, de må fortsatt ha en viktig spille inn.

Diamanter er fortsatt de ripebestandig materiale kjent for menneskeheten. Metaller som titan er langt mindre motstandsdyktig mot riper, og selv svært hardt keramikk eller tungsten carbide ikke kan konkurrere med diamanter i form av hardhet eller scratch-motstand., Andre krystaller som er kjent for sin ekstreme hardhet, for eksempel rubiner eller safirer, fortsatt kommer til kort i ruter.

Men seks materialer har også oppskrytte diamond slo i forhold til hardhet.

6.) Wurtzite boron nitride. I stedet for karbon, kan du gjøre en krystall ut av en rekke andre atomer eller forbindelser, og en av dem er boron nitride (BN), hvor den 5. og 7. elementer på den periodiske tabellen kommer sammen for å danne en rekke muligheter. Det kan være amorfe (ikke-krystallinske), sekskantet (tilsvarende grafitt), cubic (tilsvarende diamant, men litt svakere), og wurtzite form.,

Den siste av disse skjemaene er både svært sjeldne, men også svært vanskelig. Dannes ved vulkanske utbrudd, er det bare vært oppdaget i liten mengder, noe som betyr at vi har aldri testet sin hardhet egenskaper eksperimentelt. Men, det utgjør en annen type crystal gitter — en tetrahedral en i stedet for en ansikt-sentrert kubikk — det er 18% hardere enn diamant, i henhold til den siste simuleringer.

5.) Lonsdaleite. Tenk deg at du har en meteor som er full av karbon, og derfor inneholder grafitt, som hurtles gjennom vår atmosfære og kolliderer med Jorden., Mens du kanskje ser en fallende meteor som utrolig varm kropp, det er bare de ytre lagene som blir varme; innmaten blir kult for de fleste (eller eventuelt alle) av sin reise mot Jorden.

Ved innvirkning med Jordens overflate, men presset inni bli større enn noen annen naturlig prosess på jordens overflate, og føre til grafitt å komprimere inn i en krystallinsk struktur. Det besitter ikke den eneste gitter av en diamant, men, men en sekskantet gitter, som kan faktisk oppnå hardnesses som er 58% større enn hva diamanter oppnå., Mens reelle eksempler på Lonsdaleite inneholde tilstrekkelig urenheter for å gjøre dem mykere enn diamanter, en urenhet-gratis grafitt meteoritt som treffer Jorden ville utvilsomt produsere materiale hardere enn noen terrestriske diamant.

4.) Dyneema., Heretter ut, vi forlate riket av naturlig forekommende stoffer bak. Dyneema, en termoplastisk polyetylen polymer, som er uvanlig for å ha en svært høy molekylvekt. De fleste molekyler som vi vet er kjeder av atomer med et par tusen atommasse enheter (protoner og/eller nøytroner) i sum. Men UHMWPE (for ultra-high-molekylær-vekt polyetylen) har svært lange kjeder, med en molekylær masse i millioner av atommasse enheter.,

Med svært lange kjeder for sine polymerer, den intermolecular vekselsvirkningene er betydelig styrket, og skaper en veldig tøff materiale. Det er så tøft, faktisk, at den har den høyeste slagfasthet av noen kjente termoplast. Det har blitt kalt den sterkeste fiber i verden, og utkonkurrerer all fortøyning og slepe tau. Til tross for å være lettere enn vann, det kan stoppe kuler og har 15 ganger styrken av en tilsvarende mengde stål.

3.) Palladium microalloy glass. Det er viktig å erkjenne at det er to viktige egenskaper som alle fysiske materialer har: styrke, som er hvor mye kraft det kan tåle før det deforms, og seighet, som er hvor mye energi det tar å pause eller brudd det., De fleste keramikk er sterk, men ikke tøff, knuste med omvendt grep eller selv når du er falt fra bare en beskjeden høyde. Elastiske materialer, som gummi, kan romme mye energi, men er lett deformerbar, og ikke sterk i det hele tatt.

de Fleste blanke materialer er sprø: sterk, men ikke spesielt tøff. Selv forsterket glass, som Pyrex eller Gorilla Glass, er ikke spesielt tøff på omfanget av materialer., Men i 2011 har forskere utviklet en ny microalloy glass med fem elementer (fosfor, silisium, germanium, sølv og palladium), der palladium gir en mulighet for å danne skjær band, slik at glasset for å plastically deformeres heller enn å knekke. Det bekjemper alle typer stål, samt noe lavere på denne listen, for det er kombinasjonen av både styrke og seighet. Det er det hardeste materialet ikke inneholder karbon.

2.) Buckypaper. Det er godt kjent siden slutten av det 20. århundre at det er en form av karbon som er enda vanskeligere enn diamanter: carbon nanotubes., Ved å binde karbon sammen til en sekskantet form, det kan holde en stiv sylindrisk formet struktur mer stabilt enn noen annen struktur kjent for menneskeheten. Hvis du tar en ansamling av carbon nanotubes og opprette en makroskopiske ark med dem, kan du opprette et tynt ark av dem: buckypaper.

Hver enkelt nanotube er bare mellom 2 og 4 nanometer over, men hver og en er utrolig sterk og tøff. Det er bare 10% av vekten av stål, men har har hundrevis av ganger styrke., Det er brannsikre, ekstremt termisk ledende, besitter enorm elektromagnetisk skjerming egenskaper, og kan føre til materialteknologi, elektronikk, militære og selv biologiske programmer. Men buckypaper kan ikke være laget av 100% nanotubes, som er kanskje det som holder den ut av topp plass på denne listen.

1.) Grafén. Til sist: et sekskantet karbon gitter det er bare ett atom tykke. Det er hva en ark av grafén er, uten tvil den mest revolusjonerende materiale som skal utvikles og benyttes i det 21. århundre. Det er den grunnleggende strukturelle element av carbon nanotubes seg selv, og programmer som vokser kontinuerlig. For tiden er en multimillion dollar industrien, grafén er forventet å vokse til et bildesøk-dollar industrien i ren tiår.,

I forhold til sin tykkelse, det er det sterkeste materialet som er kjent som, er en ekstraordinær dirigent for både varme og elektrisitet, og er nesten 100% gjennomsiktig for lys. 2010 nobelprisen i Fysikk gikk til Andre Geim og Konstantin Novoselov for banebrytende eksperimenter som involverer grafén, og den kommersielle programmer har bare vært økende. Til dags dato, grafén er det tynneste materiale kjent, og bare seks år gapet mellom Geim og Novoselov arbeid og sin Nobel-prisen er en av de korteste i fysikkens historie.,

I oppdrag å lage materialer hardere, sterkere, mer motstandsdyktig mot riper, lettere, tøffere, etc. er trolig aldri kommer til å ende., Hvis menneskeheten kan skyve grensene av materialer som er tilgjengelige for oss lenger enn noen gang før, programmer for hva som blir mulig kan bare utvides. Generasjoner siden, tanken på mikroelektronikk, transistorer, eller evnen til å manipulere individuelle atomer var sikkert eksklusive til riket av science-fiction. I dag, de er så vanlige at vi tar alle det for gitt.

Som vi slynget med full kraft inn i nanotech alder, materialer, slik som de som er beskrevet her blir stadig mer viktig og utbredt til vår livskvalitet., Det er en fantastisk ting å leve i en sivilisasjon hvor diamanter er ikke lenger den vanskeligste kjent materiale; vitenskapelige fremskritt vi gjør nytte for samfunnet som helhet. Som det 21. århundre utfolder seg, vi kommer alle til å komme å se hva som plutselig blir mulig med disse nye materialer.