Istnieje 6 „najsilniejsze materiały” na Ziemi, które są trudniejsze niż diamenty

węgiel jest jednym z najbardziej fascynujących pierwiastków w całej przyrodzie, o właściwościach chemicznych i fizycznych niepodobnych do żadnego innego pierwiastka. Z zaledwie sześcioma protonami w jądrze, jest najlżejszym pierwiastkiem zdolnym do tworzenia wiązań złożonych. Wszystkie znane formy życia są oparte na węglu, ponieważ jego właściwości atomowe pozwalają mu łączyć się z maksymalnie czterema innymi atomami na raz., Możliwe geometrie tych wiązań umożliwiają również samoczynny montaż węgla, szczególnie pod wysokim ciśnieniem, w stabilną siatkę krystaliczną. Jeśli warunki są właściwe, atomy węgla mogą tworzyć solidną, ultra-twardą strukturę znaną jako diament.

chociaż diamenty powszechnie znane jako najtwardszy materiał na świecie, istnieje w rzeczywistości sześć materiałów, które są trudniejsze. Diamenty są nadal jednym z najtwardszych naturalnie występujących i obfitych materiałów na Ziemi, ale wszystkie te sześć materiałów mają bicie.,

wyróżnienie: istnieją trzy materiały ziemskie, które nie są tak twarde jak diament, ale nadal są niezwykle interesujące ze względu na ich wytrzymałość w różnych modzie. Wraz z pojawieniem się nanotechnologii — wraz z rozwojem nanoskali zrozumienia nowoczesnych materiałów-zdajemy sobie sprawę, że istnieje wiele różnych wskaźników do oceny fizycznie interesujących i ekstremalnych materiałów.

od strony biologicznej pajęczy jedwab jest znany jako najtwardszy., Dzięki wyższemu stosunkowi wytrzymałości do masy niż większość konwencjonalnych materiałów, takich jak aluminium lub stal, jest to również niezwykłe ze względu na to, jak cienkie i lepkie jest. Ze wszystkich pająków na świecie, pająki z kory Darwina są najtwardsze: dziesięć razy silniejsze od kevlaru. Jest tak cienka i lekka, że około Funt (454 gramy) pajęczego jedwabiu z kory Darwina skomponowałby pasemko wystarczająco długie, aby prześledzić Obwód całej planety.

w przypadku naturalnie występującego minerału węglik krzemu-występujący naturalnie w postaci moissanitu-ma tylko nieco mniejszą twardość niż diamenty. (Jest jeszcze twardszy niż jakikolwiek pajęczy jedwab.,)- Mieszanka chemiczna krzemu i węgla, które zajmują w układzie okresowym tę samą rodzinę co siebie nawzajem, ziarna węglika krzemu są masowo produkowane od 1893 roku. Mogą być łączone ze sobą poprzez wysokociśnieniowy, ale niskotemperaturowy proces znany jako spiekanie, aby stworzyć niezwykle twarde materiały ceramiczne.,

materiały te są nie tylko przydatne w wielu różnych zastosowaniach, które wykorzystują twardość, takich jak hamulce samochodowe i sprzęgła, płyty w kamizelkach kuloodpornych, a nawet zbroje bojowe nadające się do czołgów, ale także mają niezwykle przydatne właściwości półprzewodnikowe do stosowania w elektronice.

Małe krzemionkowe kule, o średnicy od 50 nanometrów do zaledwie 2 nanometrów, zostały stworzone po raz pierwszy około 20 lat temu w Sandia National Laboratories Departamentu Energii., Niezwykłe w tych nanosferach jest to, że są puste, same się gromadzą w kule i mogą nawet zagnieżdżać się w sobie, a wszystko to pozostaje najsztywniejszym materiałem znanym ludzkości, tylko nieco mniej twardym niż diamenty.

montaż własny jest w przyrodzie niezwykle potężnym narzędziem, ale materiały biologiczne są słabe w porównaniu z syntetycznymi. Te samonastawne nanocząstki mogą być wykorzystane do tworzenia niestandardowych materiałów o zastosowaniach od lepszych oczyszczaczy wody do bardziej wydajnych ogniw słonecznych, od szybszych katalizatorów po elektronikę nowej generacji., Wymarzoną technologią tych samoskładających się nanosfer jest jednak nadrukowana kamizelka kuloodporna, dostosowana do specyfikacji użytkownika.

diamenty, oczywiście, są twardsze niż wszystkie z nich, i nadal zegar w #7 na liście wszech czasów najtwardszych materiałów znalezionych lub stworzonych na Ziemi. Pomimo tego, że zostały wyprzedzone zarówno przez inne naturalne (ale rzadkie) materiały, jak i synetetyczne, stworzone przez człowieka, nadal posiadają jeden ważny rekord.

diamenty pozostają najbardziej odpornym na zarysowania materiałem znanym ludzkości. Metale takie jak Tytan są znacznie mniej odporne na zarysowania, a nawet bardzo twarda ceramika lub węglik wolframu nie mogą konkurować z diamentami pod względem twardości lub odporności na zarysowania., Inne kryształy, które są znane ze swojej ekstremalnej twardości, takie jak rubiny lub szafiry, nadal nie należą do diamentów.

ale sześć materiałów ma nawet oszlifowany diament pod względem twardości.

6.) Azotek boru wurtzytowego. Zamiast węgla można utworzyć kryształ z wielu innych atomów lub związków, a jednym z nich jest azotek boru (BN), w którym 5.i 7. pierwiastki układu okresowego łączą się, tworząc różne możliwości. Może być amorficzny( niekrystaliczny), sześciokątny (podobny do grafitu), sześcienny (podobny do diamentu, ale nieco słabszy) i wurtzytowy.,

ostatnia z tych form jest zarówno niezwykle rzadka, ale i niezwykle twarda. Powstała podczas erupcji wulkanicznych, została odkryta tylko w niewielkich ilościach, co oznacza, że nigdy nie testowaliśmy jej właściwości twardości eksperymentalnie. Jednak tworzy inny rodzaj sieci krystalicznej-czworościenną zamiast skupionej na twarzy sześciennej — która jest o 18% twardsza niż diament, zgodnie z najnowszymi symulacjami.

5.) Lonsdaleite. Wyobraź sobie, że masz meteoryt pełen węgla, a więc zawierający grafit, który pędzi przez naszą atmosferę i zderza się z ziemią., Chociaż można wyobrazić sobie spadający meteor jako niesamowicie gorące ciało, to tylko zewnętrzne warstwy stają się gorące; wnętrze pozostaje chłodne przez większość (a nawet potencjalnie, wszystkie) ich podróży w kierunku Ziemi.

po zderzeniu z powierzchnią ziemi ciśnienie wewnątrz staje się większe niż jakikolwiek inny naturalny proces na powierzchni naszej planety i powoduje, że grafit ściska się w strukturę krystaliczną. Nie posiada sześciennej siatki diamentu, ale sześciokątną siatkę, która może faktycznie osiągnąć twardość o 58% większą niż diamenty., Podczas gdy prawdziwe przykłady Lonsdaleitu zawierają wystarczającą ilość zanieczyszczeń, aby uczynić je bardziej miękkimi niż diamenty, wolny od zanieczyszczeń meteoryt grafitowy uderzający w ziemię bez wątpienia wytworzy materiał twardszy niż jakikolwiek ziemski diament.

4.) Dyneema., Od tej chwili zostawiamy za sobą sferę naturalnie występujących substancji. Dyneema, termoplastyczny polimer polietylenowy, jest niezwykły ze względu na niezwykle wysoką masę cząsteczkową. Większość znanych nam cząsteczek to łańcuchy atomów o łącznej masie kilku tysięcy jednostek masy atomowej (protonów i / lub neutronów). Ale UHMWPE (dla polietylenu o ultra wysokiej masie cząsteczkowej) ma bardzo długie łańcuchy, o masie cząsteczkowej w milionach jednostek masy atomowej.,

dzięki bardzo długim łańcuchom polimerów, interakcje międzycząsteczkowe są znacznie wzmocnione, tworząc bardzo twardy materiał. Jest tak twardy, że ma najwyższą udarność spośród wszystkich znanych tworzyw termoplastycznych. Został nazwany najsilniejszym włóknem na świecie i przewyższa wszystkie liny cumownicze i holownicze. Mimo że jest lżejszy od wody, może zatrzymać pociski i ma 15 razy większą wytrzymałość niż porównywalna ilość stali.

3.) Palladium microalloy glass. Ważne jest, aby rozpoznać, że istnieją dwie ważne właściwości, które mają wszystkie materiały fizyczne: wytrzymałość, czyli ile siły może wytrzymać, zanim się odkształci, i wytrzymałość, czyli ile energii potrzeba, aby ją złamać lub złamać., Większość ceramiki jest mocna, ale nie twarda, niszcząc uchwytami imadła lub nawet po zrzuceniu z niewielkiej wysokości. Elastyczne materiały, takie jak guma, mogą pomieścić dużo energii, ale są łatwo odkształcalne i wcale nie są mocne.

większość materiałów szklistych jest krucha: mocna, ale nie szczególnie twarda. Nawet wzmocnione szkło, takie jak Pyrex lub Gorilla Glass, nie jest szczególnie wytrzymałe w skali materiałów., Jednak w 2011 roku naukowcy opracowali nowe szkło mikroalloy zawierające pięć elementów (fosfor, krzem, German, srebro i pallad), w których pallad stanowi ścieżkę do formowania pasm ścinających, umożliwiając szkło plastycznie deformować, a nie pękać. Pokonuje wszystkie rodzaje stali, a także wszystko, co niższe na tej liście, ze względu na połączenie zarówno wytrzymałości, jak i wytrzymałości. Jest to najtrudniejszy materiał, aby nie zawierać węgla.

2.) Buckypaper. Od końca XX wieku wiadomo, że istnieje forma węgla, która jest jeszcze twardsza niż diamenty: nanorurki węglowe., Łącząc węgiel w sześciokątny kształt, może utrzymać sztywną strukturę w kształcie cylindra bardziej stabilnie niż jakakolwiek inna struktura znana ludzkości. Jeśli weźmiesz agregat nanorurek węglowych i utworzysz z nich makroskopowy arkusz, możesz utworzyć z nich cienki arkusz: buckypaper.

każda pojedyncza nanoruba ma tylko od 2 do 4 nanometrów, ale każda z nich jest niesamowicie mocna i twarda. To tylko 10% wagi stali, ale ma setki razy większą wytrzymałość., Jest ognioodporny, niezwykle przewodzący ciepło, ma ogromne właściwości ekranowania elektromagnetycznego i może prowadzić do nauki o materiałach, elektroniki, zastosowań wojskowych, a nawet biologicznych. Ale buckypaper nie może być wykonany w 100% z nanorurek, co być może utrzymuje go na szczycie tej listy.

1.) Grafen. W końcu: sześciokątna siatka węglowa o grubości tylko jednego atomu. Tym właśnie jest arkusz grafenu, prawdopodobnie najbardziej rewolucyjny materiał, który można opracować i wykorzystać w XXI wieku. Jest to podstawowy element strukturalny samych nanorurek węglowych, a zastosowania stale rosną. Obecnie wielomilionowy przemysł, oczekuje się, że grafen stanie się wielomilionowym przemysłem w ciągu zaledwie dziesięcioleci.,

w stosunku do swojej grubości jest najsilniejszym znanym materiałem, jest niezwykłym przewodnikiem zarówno ciepła, jak i energii elektrycznej i jest prawie w 100% przezroczysty dla światła. W 2010 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki otrzymali Andre Geim i Konstantin Novoselov za przełomowe eksperymenty z grafenem. Do tej pory grafen jest najcieńszym znanym materiałem, a zaledwie sześcioletnia przerwa między pracami Geima i Novoselova a ich nagrodą Nobla jest jedną z najkrótszych w historii fizyki.,

dążenie do tego, aby materiały były twardsze, mocniejsze, bardziej odporne na zarysowania, lżejsze, twardsze itp., prawdopodobnie nigdy się nie skończy., Jeśli ludzkość może przesunąć granice dostępnych nam materiałów dalej niż kiedykolwiek wcześniej, wnioski o to, co staje się wykonalne, mogą się tylko rozszerzyć. Wiele pokoleń temu idea mikroelektroniki, tranzystorów czy możliwości manipulowania pojedynczymi atomami z pewnością należała wyłącznie do sfery science-fiction. Dziś są tak powszechne, że wszystkie są oczywiste.

w miarę jak z pełną siłą wkraczamy w epokę nanotechnologii, materiały takie jak te opisane tutaj stają się coraz ważniejsze i wszechobecne dla naszej jakości życia., To wspaniała rzecz żyć w cywilizacji, w której diamenty nie są już najtrudniejszym znanym materiałem; postępy naukowe, które uczynimy, przynoszą korzyści społeczeństwu jako całemu. W miarę rozwoju XXI wieku wszyscy będziemy mogli zobaczyć, co nagle staje się możliwe dzięki nowym materiałom.