configurações atómicas e moleculares vêm em um número quase infinito de combinações possíveis, mas o… combinações específicas encontradas em qualquer material determinam suas propriedades. Enquanto os diamantes são classicamente vistos como o material mais duro encontrado na terra, eles não são o material mais forte em geral, nem mesmo o material mais forte de ocorrência natural., Existem actualmente seis tipos de materiais que se sabe serem mais fortes, embora se espere que esse número aumente com o passar do tempo.
Max Pixel
O carbono é um dos elementos mais fascinantes em toda a natureza, com propriedades químicas e físicas ao contrário de qualquer outro elemento. Com apenas seis protões no seu núcleo, é o elemento mais leve e abundante capaz de formar uma série de ligações complexas. Todas as formas de vida conhecidas são baseadas em carbono, já que suas propriedades atômicas permitem a ligação com até quatro outros átomos de cada vez., As possíveis geometrias dessas ligações também permitem que o carbono se auto-monte, particularmente sob altas pressões, em uma estrutura cristalina estável. Se as condições estiverem certas, os átomos de carbono podem formar uma estrutura sólida e ultra-dura conhecida como diamante.embora os diamantes comumente conhecidos como o material mais duro do mundo, existem na verdade seis materiais que são mais difíceis. Os diamantes ainda são um dos materiais naturais mais difíceis e abundantes da Terra, mas todos estes seis materiais têm batido.,
a teia da aranha de casca de Darwin é a maior teia do tipo orbe produzida por qualquer aranha na terra, e… a seda da aranha-casca-de-Darwin é a mais forte de qualquer tipo de seda-aranha. O fio único mais longo é medido a 82 pés; um fio que circulava toda a Terra pesaria apenas 1 Libra.Carles Lalueza-Fox, Ingi Agnarsson, Matjaž Kuntner, Todd A., Blackledge (2010)
Menção Honrosa: há três materiais terrestres que não são tão duros quanto o diamante, mas ainda são notavelmente interessantes por sua força em uma variedade de modas. Com o advento da nanotecnologia — ao lado do desenvolvimento de compreensões nanoescais de materiais modernos — reconhecemos agora que existem muitas métricas diferentes para avaliar materiais fisicamente interessantes e extremos.no lado biológico, a seda de aranha é notória como a mais dura., Com uma maior relação força-peso do que a maioria dos materiais convencionais, como alumínio ou aço, também é notável para o quão fino e pegajoso ele é. De todas as aranhas do mundo, as aranhas de casca de Darwin têm as mais duras: dez vezes mais fortes que o kevlar. É tão fino e leve que aproximadamente uma libra (454 gramas) de seda de aranha de Darwin comporia um fio suficientemente longo para traçar a circunferência de todo o planeta.
carboneto de silício, mostrado aqui após a montagem, é normalmente encontrado como pequenos fragmentos da natureza…, moissanita mineral. Os grãos podem ser sinterizados juntos para formar estruturas complexas e belas, como a mostrada aqui nesta amostra de material. Ele é quase tão dura como o diamante, e foi sintetizado de forma sintética e conhecido, naturalmente, desde o final de 1800.
Scott Horvath, USGS
Por um mineral que ocorre naturalmente, de carbeto de silício encontrado naturalmente na forma de moissanite — é apenas um pouco menos dureza do que diamantes. (Ainda é mais difícil do que qualquer seda de aranha.,) Uma mistura química de silício e carbono, que ocupam a mesma família na tabela periódica como um outro, grãos de carboneto de silício têm sido produzidos em massa desde 1893. Eles podem ser ligados entre si através de um processo de alta pressão, mas de baixa temperatura conhecido como sinterização para criar materiais cerâmicos extremamente duros.,estes materiais não são apenas úteis em uma grande variedade de aplicações que aproveitam a dureza, como freios e embraiagens de carros, placas em coletes à prova de bala, e até mesmo Armadura de batalha adequada para tanques, mas também têm propriedades semicondutoras incrivelmente úteis para uso em eletrônica.
ordenadas matrizes de pilares, mostradas aqui em verde, têm sido usadas pelos cientistas como meios porosos avançados para… separar vários materiais. Ao incorporar nanosferas de sílica, aqui, os cientistas podem aumentar a área de superfície usada para separar e filtrar materiais mistos., As nanosferas aqui mostradas são apenas um exemplo particular de nanosferas, e a variedade de auto-montagem está quase a par com diamantes para a resistência material.
Oak Ridge National Laboratories/flickr
minúsculas esferas de sílica, de 50 nanômetros de diâmetro até apenas 2 nanômetros, foram criadas pela primeira vez há cerca de 20 anos nos Laboratórios Nacionais Sandia do Departamento de energia., O que é notável sobre estas nanosferas é que elas são ocas, elas se auto-montam em esferas, e elas podem até se aninhar dentro uma da outra, tudo enquanto permanecem o material mais rígido conhecido pela humanidade, apenas um pouco menos duro que os diamantes.auto-montagem é uma ferramenta incrivelmente poderosa na natureza, mas os materiais biológicos são fracos em comparação com os sintéticos. Estas nanopartículas auto-montadoras poderiam ser usadas para criar materiais personalizados com aplicações de melhores purificadores de água para células solares mais eficientes, de catalisadores mais rápidos para eletrônica de próxima geração., A tecnologia de sonho destas nanosferas auto-montadoras, no entanto, é uma armadura de impressão, personalizada de acordo com as especificações do Usuário.
diamantes podem ser comercializados para sempre, mas eles têm limites de temperatura e pressão como qualquer outro… outro material convencional. Enquanto a maioria dos materiais terrestres não pode arranhar um diamante, há seis materiais que, pelo menos por muitas medidas, são mais fortes e/ou mais difíceis do que estes lattices de carbono naturais.,
Getty
diamantes, é claro, são mais difíceis do que todos estes, e ainda clock em #7 na lista de todos os tempos de materiais mais difíceis encontrados ou criados na Terra. Apesar do fato de terem sido superados por outros materiais naturais (mas raros) e sinetéticos, feitos pelo homem, eles ainda possuem um registro importante.os diamantes continuam a ser o material mais resistente ao arranhão conhecido pela humanidade. Metais como o titânio são muito menos resistentes ao arranhão, e mesmo cerâmica extremamente dura ou carboneto de tungstênio não pode competir com diamantes em termos de dureza ou resistência ao arranhão., Outros cristais que são conhecidos por sua extrema dureza, como rubis ou safiras, ainda ficam aquém de diamantes.
mas seis materiais têm até a batida de diamante em termos de dureza.
muito parecido carbono pode ser montado em uma variedade de Configurações, Nitreto De Boro pode assumir… configurações amorphous, hexagonal, cubic, or tetrahedral (wurtzite). A estrutura do nitreto de boro em sua configuração wurtzita é mais forte que os diamantes., Nitreto de boro também pode ser usado para construir nanotubos, aerogels e uma grande variedade de outras aplicações fascinantes.
Benjah-bmm27 / domínio público
6.) Wurtzite boron nitride. Em vez de carbono, você pode fazer um cristal de um número de outros átomos ou compostos, e um deles é o nitreto de boro (BN), onde o 5º e 7º elementos da tabela periódica se juntam para formar uma variedade de possibilidades. Pode ser amorfo (não-cristalino), hexagonal (semelhante ao grafite), cúbico (semelhante ao diamante, mas ligeiramente mais fraco), e a forma wurtzita.,
A última destas formas é extremamente rara, mas também extremamente difícil. Formado durante erupções vulcânicas, só foi descoberto em pequenas quantidades, o que significa que nunca testamos as suas propriedades de dureza experimentalmente. No entanto, ele forma um tipo diferente de retículo de cristal — um tetraédrico em vez de um cúbico centrado na face-que é 18% mais difícil do que o diamante, de acordo com as mais recentes simulações.
Dois diamantes de Popigai cratera, uma cratera formada com a causa conhecida de um meteor strike. O…, o objeto à direita (marcado a) é composto puramente de diamante, enquanto o objeto à esquerda (marcado b) é uma mistura de diamante e pequenas quantidades de lonsdaleite. Se a lonsdaleite pudesse ser construída sem impurezas de qualquer tipo, seria superior em termos de força e dureza ao diamante puro.Hiroaki Ohfuji et al., Nature (2015)
5.) Lonsdaleite. Imagine que você tem um meteoro cheio de carbono, e portanto contendo grafite, que atravessa a nossa atmosfera e colide com o planeta Terra., Enquanto você pode imaginar um meteoro caindo como um corpo Incrivelmente quente, são apenas as camadas exteriores que se tornam quentes; as entranhas permanecem frias para a maioria (ou mesmo, potencialmente, todos) de sua jornada em direção à Terra.no entanto, as pressões internas tornam-se maiores do que qualquer outro processo natural na superfície do nosso planeta, e fazem com que a grafite se comprima numa estrutura cristalina. Ele não possui a estrutura cúbica de um diamante, no entanto, mas uma estrutura hexagonal, que pode realmente alcançar resistências que são 58% maiores do que os diamantes alcançar., Enquanto exemplos reais de Lonsdaleite contêm impurezas suficientes para torná-los mais macios que Diamantes, um meteorito de grafite sem impurezas que atinge a terra, sem dúvida, produziria material mais duro do que qualquer diamante terrestre.
Esta imagem mostra um close-up de uma corda feita com LIROS Dyneema SK78 hollowbraid linha. De certeza… classes de aplicações onde se usaria um tecido ou corda de aço, Dyneema é o material de fibra mais forte conhecido pela civilização humana hoje.
Justsail / Wikimedia Commons
4.) Dyneema., A partir daqui, deixamos o reino das substâncias naturais para trás. Dyneema, um polímero de polietileno termoplástico, é incomum por ter um peso molecular extraordinariamente elevado. A maioria das moléculas que conhecemos são cadeias de átomos com algumas milhares de unidades de massa atômica (prótons e/ou nêutrons) no total. Mas UHMWPE (para polietileno de ultra-alta massa molecular) tem cadeias extremamente longas, com uma massa molecular em milhões de unidades de massa atômica.,com cadeias muito longas para os seus polímeros, as interacções intermoleculares são substancialmente reforçadas, criando um material muito resistente. É tão difícil, na verdade, que tem a maior força de impacto de qualquer Termoplástico conhecido. Tem sido chamada de fibra mais forte do mundo, e supera todas as cordas de amarração e reboque. Apesar de ser mais leve que a água, ele pode parar balas e tem 15 vezes a força de uma quantidade comparável de aço.Micrografo de entalhe deformado em vidro metálico à base de paládio mostra uma extensa blindagem de plástico…, uma fenda inicialmente afiada. Inset é uma visão ampliada de um deslocamento de cisalhamento (seta) desenvolvido durante o deslizamento de plástico antes da fenda aberta. Os microalloys de paládio têm a maior força combinada e resistência de qualquer material conhecido.Robert Ritchie and Marios Demetriou
3.) Palladium microalloy glass. É importante reconhecer que existem duas propriedades importantes que todos os materiais físicos têm: a força, que é a força que ele pode suportar antes de se deforma, e a dureza, que é a quantidade de energia que ele leva para quebrá-lo ou quebrá-lo., A maioria das cerâmicas são fortes, mas não difíceis, quebrando com tenazes de vice ou mesmo quando largado de apenas uma altura modesta. Materiais elásticos, como a borracha, podem conter muita energia, mas são facilmente deformáveis, e não são fortes de todo.
A maioria dos materiais vidrados são quebradiços: fortes, mas não particularmente resistentes. Mesmo vidro reforçado, como Pyrex ou Vidro Gorila, não é particularmente duro na escala de materiais., Mas em 2011, pesquisadores desenvolveram um novo microliga de vidro com cinco elementos (fósforo, silício, germânio, prata e paládio), onde o paládio fornece um caminho para a formação de bandas de cisalhamento, permitindo que o vidro se deformar plasticamente, em vez de crack. Ele derrota todos os tipos de aço, bem como qualquer coisa inferior nesta lista, por sua combinação de força e dureza. É o material mais difícil de não incluir carbono.
papel Freestanding feito de nanotubos de carbono, t. c. p.papel buckypaper, irá impedir a passagem de…, partículas de 50 nanómetros e maiores. Possui propriedades físicas, químicas, elétricas e mecânicas únicas. Embora possa ser dobrado ou cortado com tesouras, é incrivelmente forte. Com pureza perfeita, estima-se que pode atingir 500 vezes a força de um volume comparável de aço. Esta imagem mostra o papel buckypaper de NanoLab sob um microscópio eletrônico de varredura.NANOLAB, INC.
2.) Buckypaper. É bem conhecido desde o final do século XX que há uma forma de carbono que é ainda mais difícil do que diamantes: nanotubos de carbono., Ao unir o carbono em uma forma hexagonal, ele pode manter uma estrutura cilíndrica rígida mais estavelmente do que qualquer outra estrutura conhecida pela humanidade. Se você pegar um agregado de nanotubos de carbono e criar uma folha macroscópica deles, você pode criar uma fina folha deles: papel buckypaper.cada nanotubo individual tem apenas entre 2 e 4 nanômetros de diâmetro, mas cada um é incrivelmente forte e resistente. É apenas 10% do peso do aço, mas tem centenas de vezes a força., É à prova de fogo, extremamente condutora termicamente, possui tremendas propriedades de blindagem eletromagnética, e pode levar à ciência dos materiais, eletrônica, aplicações militares e até biológicas. Mas o papel buckypaper não pode ser feito de 100% nanotubos, que é talvez o que o mantém fora do topo desta lista.
Graphene, in its ideal configuration, is a defect-free network of carbon atoms bound into a… arranjo hexagonal perfeito. Pode ser visto como uma infinidade de moléculas aromáticas.,AlexanderAlUS/CORE-Materials of flickr
1.) Graphene. Finalmente, uma estrutura de carbono hexagonal com apenas um átomo de espessura. Isso é o que uma folha de grafeno é, sem dúvida, o material mais revolucionário a ser desenvolvido e utilizado no século 21. É o elemento estrutural básico dos nanotubos de carbono em si, e as aplicações estão crescendo continuamente. Atualmente uma indústria multimilionária, graphene é esperado para crescer em uma indústria multimilionária em meras décadas.,em proporção à sua espessura, é o material mais forte conhecido, é um condutor extraordinário de calor e electricidade, e é quase 100% transparente à luz. O Prêmio Nobel de Física de 2010 foi atribuído a Andre Geim e Konstantin Novoselov por experimentos inovadores envolvendo grafeno, e as aplicações comerciais só têm crescido. Até o momento, graphene é o material mais fino conhecido, e a mera diferença de seis anos entre o trabalho de Geim e Novoselov e seu Prêmio Nobel é um dos mais curtos na história da física.,
o cristal K-4 consiste exclusivamente de átomos de carbono dispostos numa estrutura, mas com um… ângulo de ligação não convencional comparado com grafite, diamante ou grafeno. Estas propriedades interatômicas podem levar a propriedades físicas, químicas e materiais drasticamente diferentes, mesmo com fórmulas químicas idênticas para uma variedade de estruturas.
Workbit / Wikimedia Commons
the quest to make materials harder, stronger, more scratch-resistant, lighter, tougher, etc., provavelmente nunca vai acabar., Se a humanidade pode empurrar as fronteiras dos materiais disponíveis para nós mais longe do que nunca, as aplicações para o que se torna viável só podem se expandir. Há gerações, a ideia da microelectrónica, transístores ou a capacidade de manipular átomos individuais era certamente exclusiva do domínio da ficção científica. Hoje, são tão comuns que tomamos todos como garantidos.à medida que avançamos para a era nanotecnológica, materiais como os aqui descritos tornam-se cada vez mais importantes e omnipresentes para a nossa qualidade de vida., É uma coisa maravilhosa viver numa civilização onde os diamantes já não são o material mais duro conhecido; os avanços científicos que fazemos beneficiam a sociedade como um todo. À medida que o século XXI se desenrola, todos nós vamos ver o que de repente se torna possível com estes novos materiais.