Er zijn 6 ‘sterkste materialen’ op aarde die Harder zijn dan diamanten

koolstof is een van de meest fascinerende elementen in de hele natuur, met chemische en fysische eigenschappen in tegenstelling tot elk ander element. Met slechts zes protonen in zijn kern, is het het lichtste overvloedige element dat in staat is een reeks complexe bindingen te vormen. Alle bekende levensvormen zijn gebaseerd op koolstof, omdat de atomaire eigenschappen het mogelijk maken om zich te verbinden met maximaal vier andere atomen tegelijk., De mogelijke geometrieën van deze bindingen maken het ook mogelijk om koolstof zelf te assembleren, vooral onder hoge druk, tot een stabiel kristalrooster. Als de omstandigheden precies goed zijn, kunnen koolstofatomen een solide, ultra-harde structuur vormen, bekend als een diamant.

hoewel diamanten algemeen bekend staan als het hardste materiaal ter wereld, zijn er eigenlijk zes materialen die harder zijn. Diamanten zijn nog steeds een van de hardste natuurlijk voorkomende en overvloedige materialen op aarde, maar deze zes materialen hebben allemaal het verslaan.,

eervolle vermelding: er zijn drie aardse materialen die niet zo hard zijn als diamant, maar nog steeds opmerkelijk interessant zijn voor hun kracht in een verscheidenheid van modes. Met de komst van nanotechnologie — naast de ontwikkeling van nanoschaal begrip van moderne materialen — we nu erkennen dat er veel verschillende metrics om fysiek interessante en extreme materialen te evalueren.

aan de biologische kant is spinrag berucht als de zwaarste., Met een hogere sterkte-gewichtsverhouding dan de meeste conventionele materialen zoals aluminium of staal, is het ook opmerkelijk voor hoe dun en kleverig het is. Van alle spinnen in de wereld hebben Darwin ‘ s schors Spinnen de zwaarste: tien keer sterker dan kevlar. Het is zo dun en licht dat ongeveer een Pond (454 gram) van Darwin ‘ s schors spinrag een streng zou vormen lang genoeg om de omtrek van de hele planeet te traceren.

voor een natuurlijk voorkomend mineraal, siliciumcarbide-van nature gevonden in de vorm van moissaniet-is slechts iets minder hard dan diamanten. (Het is nog steeds harder dan elke spinrag.,) Een chemische mix van silicium en koolstof, die dezelfde familie in het periodiek systeem bezetten als elkaar, siliciumcarbide korrels zijn massa geproduceerd sinds 1893. Ze kunnen worden verbonden door middel van een hoge druk, maar lage temperatuur proces bekend als sinteren om extreem harde keramische materialen te creëren.,

deze materialen zijn niet alleen nuttig in een breed scala van toepassingen die profiteren van hardheid, zoals auto remmen en koppelingen, platen in kogelvrije vesten, en zelfs gevechtspantser geschikt voor tanks, maar hebben ook ongelooflijk nuttige halfgeleidereigenschappen voor gebruik in elektronica.

kleine silica-bolletjes, van 50 nanometer in diameter tot slechts 2 nanometer, werden ongeveer 20 jaar geleden voor het eerst gemaakt bij de Sandia National Laboratories van het Department of Energy., Wat opmerkelijk is aan deze nanospheres is dat ze hol zijn, ze vormen zichzelf tot bollen, en ze kunnen zelfs in elkaar nestelen, terwijl ze het stijfste materiaal blijven dat de mensheid kent, maar iets minder hard dan diamanten.

zelfassemblage is een ongelooflijk krachtig hulpmiddel in de natuur, maar biologische materialen zijn zwak in vergelijking met synthetische materialen. Deze zelfassemblerende nanodeeltjes kunnen worden gebruikt om aangepaste materialen te creëren met toepassingen van betere waterzuiveraars tot efficiëntere zonnecellen, van snellere katalysatoren tot elektronica van de volgende generatie., De droomtechnologie van deze zelfassemblerende nanospheres is echter afdrukbare kogelvrije vesten, aangepast aan de specificaties van de gebruiker.

Diamanten zijn natuurlijk moeilijker dan al deze, en klokken nog steeds op #7 op de lijst aller tijden van hardste materialen die op aarde gevonden of gemaakt zijn. Ondanks het feit dat ze zijn overtroffen door zowel andere natuurlijke (maar zeldzame) materialen als synethetische, door mensen gemaakte materialen, hebben ze nog steeds een belangrijke plaat.

diamanten blijven het meest krasbestendige materiaal dat de mensheid kent. Metalen zoals titanium zijn veel minder krasbestendig en zelfs extreem hard keramiek of wolfraamcarbide kunnen niet concurreren met diamanten in termen van hardheid of krasbestendigheid., Andere kristallen die bekend staan om hun extreme hardheid, zoals robijnen of saffieren, missen nog steeds diamanten.

maar zes materialen hebben zelfs de geroemde diamantslag in termen van hardheid.

6.) Wurtzittboriumnitride. In plaats van koolstof, kun je een kristal maken van een aantal andere atomen of verbindingen, en een daarvan is boriumnitride (BN), waar de 5e en 7e elementen op het periodiek systeem samenkomen om een verscheidenheid aan mogelijkheden te vormen. Het kan amorf zijn (niet-kristallijn), zeshoekig (vergelijkbaar met grafiet), kubisch (vergelijkbaar met diamant, maar iets zwakker), en de wurtziet vorm.,

de laatste van deze vormen is zeer zeldzaam, maar ook zeer moeilijk. Gevormd tijdens vulkaanuitbarstingen, is het slechts in kleine hoeveelheden ontdekt, wat betekent dat we de hardheid eigenschappen nooit experimenteel hebben getest. Het vormt echter een ander soort kristalrooster — een tetraëdrische in plaats van een kubieke met het gezicht-dat volgens de meest recente simulaties 18% harder is dan diamant.

5.) Lonsdaleite. Stel je voor dat je een meteoor hebt vol koolstof, en dus met grafiet, die door onze atmosfeer heen schiet en botst met de planeet Aarde., Hoewel je je een vallende meteoor zou kunnen voorstellen als ongelooflijk heet lichaam, zijn het alleen de buitenste lagen die heet worden; de binnenkant blijft koel voor de meeste (of zelfs, potentieel, alle) van hun reis naar de aarde.

bij een botsing met het aardoppervlak wordt de druk binnenin echter groter dan enig ander natuurlijk proces op het aardoppervlak, waardoor het grafiet samendrukt tot een kristallijne structuur. Het bezit echter niet het kubieke rooster van een diamant, maar een zeshoekig rooster, dat eigenlijk hardheden kan bereiken die 58% groter zijn dan wat diamanten bereiken., Terwijl echte voorbeelden van Lonsdaleiet voldoende onzuiverheden bevatten om ze zachter te maken dan diamanten, zou een onzuiverheid-vrije grafietmeteoriet die de aarde raakt ongetwijfeld materiaal produceren dat harder is dan een aardse diamant.

4.) Dyneema., Vanaf hier laten we het rijk van natuurlijk voorkomende stoffen achter ons. Dyneema, een thermoplastisch polyethyleenpolymeer, is ongebruikelijk voor het hebben van een buitengewoon hoog molecuulgewicht. De meeste moleculen die we kennen zijn ketens van atomen met een paar duizend atomaire massa-eenheden (protonen en/of neutronen) in totaal. Maar UHMWPE (voor ultra-high-molecular-weight polyethyleen) heeft extreem lange ketens, met een moleculaire massa in de miljoenen atomaire massa-eenheden.,

met zeer lange ketens voor hun polymeren worden de intermoleculaire interacties aanzienlijk versterkt, waardoor een zeer taai materiaal ontstaat. Het is zo sterk dat het de hoogste slagvastheid heeft van alle bekende thermoplasten. Het is genoemd de sterkste vezel in de wereld, en presteert beter dan alle ligplaatsen en touwen. Ondanks dat het lichter is dan water, kan het kogels stoppen en heeft het 15 keer de sterkte van een vergelijkbare hoeveelheid staal.

3.) Palladium microalloy glas. Het is belangrijk om te erkennen dat er twee belangrijke eigenschappen zijn die alle fysieke materialen hebben: sterkte, dat is hoeveel kracht het kan weerstaan voordat het vervormt, en taaiheid, dat is hoeveel energie het kost om het te breken of te breken., De meeste keramiek zijn sterk, maar niet taai, verbrijzelen met vice grips of zelfs wanneer gedaald van slechts een bescheiden hoogte. Elastische materialen, zoals rubber, kunnen veel energie vasthouden, maar zijn gemakkelijk vervormbaar en helemaal niet sterk.

De meeste glazige materialen zijn Bros: sterk, maar niet bijzonder taai. Zelfs versterkt glas, zoals Pyrex of Gorilla Glass, is niet bijzonder sterk op de schaal van materialen., Maar in 2011 ontwikkelden onderzoekers een nieuw microalloy-glas met vijf elementen (fosfor, silicium, germanium, zilver en palladium), waarbij het palladium een weg biedt voor het vormen van afschuifbanden, waardoor het glas plastisch vervormd kan worden in plaats van te barsten. Het verslaat alle soorten staal, evenals iets lager op deze lijst, voor de combinatie van zowel sterkte en taaiheid. Het is het moeilijkste materiaal om geen koolstof op te nemen.

2.) Buckypaper. Het is bekend sinds het einde van de 20e eeuw dat er een vorm van koolstof is die nog harder is dan diamanten: koolstofnanobuizen., Door koolstof samen te binden in een zeshoekige vorm, kan het een stijve cilindrische-vormige structuur stabieler dan elke andere structuur bekend bij de mensheid houden. Als je een aggregaat van koolstofnanobuisjes neemt en er een macroscopisch vel van maakt, kun je er een dun vel van maken: buckypaper.

elke afzonderlijke nanobuis is slechts tussen de 2 en 4 nanometer doorsnede, maar elke nanobuis is ongelooflijk sterk en taai. Het is slechts 10% van het gewicht van staal, maar heeft honderden keren de sterkte., Het is vuurbestendig, extreem thermisch geleidend, bezit enorme elektromagnetische afschermingseigenschappen, en kan leiden tot materiaalwetenschap, elektronica, militaire en zelfs biologische toepassingen. Maar buckypaper kan niet worden gemaakt van 100% nanobuisjes, dat is misschien wat houdt het uit de eerste plaats op deze lijst.

1.) Grafeen. Eindelijk: een zeshoekig koolstofrooster dat maar een enkel atoom dik is. Dat is wat een vel grafeen is, misschien wel het meest revolutionaire materiaal dat ontwikkeld en gebruikt werd in de 21e eeuw. Het is het fundamentele structurele element van koolstofnanobuizen zelf, en de toepassingen groeien voortdurend. Grafeen is momenteel een miljardenindustrie en zal naar verwachting in enkele decennia uitgroeien tot een miljardenindustrie.,

in verhouding tot de dikte is het het sterkste materiaal dat bekend is, is het een buitengewone geleider van zowel warmte als elektriciteit en is het bijna 100% transparant voor licht. De Nobelprijs voor de natuurkunde 2010 ging naar Andre Geim en Konstantin Novoselov voor baanbrekende experimenten met grafeen, en de commerciële toepassingen zijn alleen maar gegroeid. Tot op heden is grafeen het dunste materiaal dat bekend is, en het verschil van slechts zes jaar tussen Geim en Novoselovs werk en hun Nobelprijs is een van de kortste in de geschiedenis van de natuurkunde.,

de zoektocht om materialen harder, sterker, krasbestendiger, lichter, harder, enz., zal waarschijnlijk nooit eindigen., Als de mensheid de grenzen van de materialen die ons ter beschikking staan verder kan verleggen dan ooit tevoren, kunnen de toepassingen voor wat haalbaar wordt alleen maar groter worden. Generaties geleden, het idee van micro-elektronica, transistors, of de capaciteit om individuele atomen te manipuleren was zeker exclusief voor het rijk van science-fiction. Tegenwoordig zijn ze zo gewoon dat we ze allemaal vanzelfsprekend vinden.naarmate we met volle kracht het nanotech-tijdperk ingaan, worden materialen zoals de hier beschreven steeds belangrijker en alomtegenwoordig voor onze kwaliteit van leven., Het is prachtig om te leven in een beschaving waar diamanten niet langer het hardst bekende materiaal zijn; de wetenschappelijke vooruitgang die we maken komt de samenleving als geheel ten goede. Naarmate de 21e eeuw zich ontvouwt, zullen we allemaal zien wat er plotseling mogelijk wordt met deze nieuwe materialen.