Det finns 6 ”starkaste material” på jorden som är svårare än diamanter

kol är ett av de mest fascinerande elementen i hela naturen, med kemiska och fysikaliska egenskaper till skillnad från något annat element. Med bara sex protoner i sin kärna är det det lättaste rikliga elementet som kan bilda en massa komplexa bindningar. Alla kända former av liv är kolbaserade, eftersom dess atomära egenskaper gör det möjligt att koppla upp med upp till fyra andra atomer åt gången., De möjliga geometrierna hos dessa bindningar gör det också möjligt för kol att självmontera, särskilt under högt tryck, till ett stabilt kristallgitter. Om förhållandena är precis rätt kan kolatomer bilda en fast, ultrahård struktur som kallas en diamant.

även om diamanter allmänt känd som det svåraste materialet i världen, Det finns faktiskt sex material som är svårare. Diamanter är fortfarande en av de svåraste naturligt förekommande och rikliga material på jorden, men dessa sex material alla har det slå.,

Hedersomnämnande: det finns tre terrestrial material som inte är riktigt lika svårt som diamond är, men är fortfarande anmärkningsvärt intressant för sin styrka i en mängd olika mode. Med tillkomsten av nanoteknik — tillsammans med utvecklingen av nanoskala förståelser av moderna material — inser vi nu att det finns många olika mätvärden för att utvärdera fysiskt intressanta och extrema material.

på den biologiska sidan är spindelsilke ökänd som den tuffaste., Med ett högre hållfasthetsförhållande än de flesta konventionella material som aluminium eller stål är det också anmärkningsvärt för hur tunt och klibbigt det är. Av alla spindlar i världen har Darwins barkspindlar de tuffaste: tio gånger starkare än kevlar. Det är så tunt och lätt att ungefär ett pund (454 gram) av Darwins bark spider silk skulle komponera en sträng tillräckligt länge för att spåra ut omkretsen av hela planeten.

för ett naturligt förekommande mineral, kiselkarbid — som finns naturligt i form av moissanit — är bara något mindre i hårdhet än diamanter. (Det är fortfarande svårare än någon spindelsilke.,) En kemisk blandning av kisel och kol, som upptar samma familj i periodiska systemet som varandra, kiselkarbidkorn har massproducerats sedan 1893. De kan bindas samman genom en högtrycks – men lågtemperaturprocess som kallas sintring för att skapa extremt hårda keramiska material.,

dessa material är inte bara användbara i en mängd olika applikationer som utnyttjar hårdhet, såsom bilbromsar och kopplingar, plattor i skottsäkra västar och till och med stridspansar som är lämpliga för tankar, men har också otroligt användbara halvledaregenskaper för användning i elektronik.

små kiselsfärer, från 50 nanometer i diameter ner till bara 2 nanometer, skapades för första gången för några 20 år sedan vid Department of Energy ’ s Sandia National Laboratories., Vad som är anmärkningsvärt med dessa nanosfärer är att de är ihåliga, de självmonterar i sfärer, och de kan till och med Bo inuti varandra, samtidigt som de förblir det styvaste materialet som är känt för mänskligheten, bara något mindre hårt än diamanter.

självmontering är ett otroligt kraftfullt verktyg i naturen, men biologiska material är svaga jämfört med syntetiska. Dessa självmonterande nanopartiklar kan användas för att skapa anpassade material med applikationer från bättre vattenrenare till effektivare solceller, från snabbare katalysatorer till nästa generations Elektronik., Drömtekniken för dessa självmonterande nanosfärer är dock utskrivbar kroppsrustning, anpassad till användarens SPECIFIKATIONER.

diamanter är naturligtvis svårare än alla dessa, och fortfarande klocka in på #7 på all-time listan över svåraste material som finns eller skapas på jorden. Trots att de har överträffats av både andra naturliga (men sällsynta) material och synetetiska, konstgjorda, håller de fortfarande en viktig rekord.

diamanter är fortfarande det mest reptåliga materialet som är känt för mänskligheten. Metaller som titan är mycket mindre reptåliga, och även extremt hårda keramik eller volframkarbid kan inte konkurrera med diamanter när det gäller hårdhet eller reptålighet., Andra kristaller som är kända för sin extrema hårdhet, såsom rubiner eller safirer, faller fortfarande kort av diamanter.

men sex material har även den omtalade diamond beat när det gäller hårdhet.

6.) Wurtzitbornitrid. Istället för KOL kan du göra en kristall av ett antal andra atomer eller föreningar, och en av dem är bornitrid (BN), där de 5: e och 7: e elementen på det periodiska bordet möts för att bilda en mängd olika möjligheter. Det kan vara amorf (icke-kristallin), hexagonal (liknande grafit), kubisk (liknande diamant, men något svagare) och wurtzitformen.,

den sista av dessa former är både extremt sällsynt, men också extremt svårt. Bildas under vulkanutbrott, det är bara någonsin upptäckts i små mängder, vilket innebär att vi aldrig har testat dess hårdhet egenskaper experimentellt. Det bildar emellertid en annan typ av kristallgitter-en tetraedrisk en istället för en ansiktscentrerad kubisk en-det är 18% hårdare än diamant, enligt de senaste simuleringarna.

5.) Lonsdaleite. Tänk dig att du har en meteor full av kol, och därför innehåller grafit, som skadar genom vår atmosfär och kolliderar med planeten jorden., Medan du kan föreställa dig en fallande meteor som otroligt varm kropp, är det bara de yttre skikten som blir heta; insidan förblir cool för de flesta (eller till och med potentiellt alla) av sin resa mot jorden.

vid påverkan med jordens yta blir dock trycket inuti större än någon annan naturlig process på vår planets yta och får grafiten att komprimera till en kristallin struktur. Det har dock inte kubikgitteret av en diamant, men en sexkantig gitter, som faktiskt kan uppnå hårdheter som är 58% större än vad diamanter uppnår., Medan verkliga exempel på Lonsdaleit innehåller tillräckliga föroreningar för att göra dem mjukare än diamanter, en föroreningsfri grafit meteorit slående jorden skulle utan tvekan producera material hårdare än någon terrestrial diamant.

4.) Dyneema., Från härpå lämnar vi sfären av naturligt förekommande ämnen bakom oss. Dyneema, en termoplastisk polyetenpolymer, är ovanlig för att ha en utomordentligt hög molekylvikt. De flesta molekyler som vi känner till är kedjor av atomer med några tusen atommassenheter (protoner och/eller neutroner) totalt. Men UHMWPE (för Ultra-högmolekylär polyeten) har extremt långa kedjor, med en molekylmassa i miljontals atommassenheter.,

med mycket långa kedjor för sina polymerer förstärks de intermolekylära interaktionerna väsentligt, vilket skapar ett mycket tufft material. Det är så tufft att det har den högsta slagstyrkan hos någon känd termoplast. Det har kallats den starkaste fibern i världen, och överträffar alla förtöjning och bogsera rep. Trots att det är lättare än vatten kan det stoppa kulor och har 15 gånger styrkan hos en jämförbar mängd stål.

3.) Palladium microalloy glas. Det är viktigt att erkänna att det finns två viktiga egenskaper som alla fysiska material har: styrka, vilket är hur mycket kraft det kan tåla innan det deformeras och seghet, vilket är hur mycket energi det tar att bryta eller bryta det., De flesta keramik är starka men inte tuffa, splittring med skruvhandtag eller till och med när de släpps från endast en blygsam höjd. Elastiska material, som gummi, kan hålla mycket energi men är lätt deformerbara och inte starka alls.

de flesta glasartade material är spröda: starka men inte särskilt tuffa. Även förstärkt glas, som Pyrex eller Gorilla Glass, är inte särskilt tufft på materialskalan., Men i 2011, forskare utvecklat en ny mikroalloy glas med fem element (fosfor, kisel, germanium, silver och palladium), där palladium ger en väg för att bilda skjuvband, vilket gör att glaset att plastiskt deformeras snarare än spricka. Det besegrar alla typer av stål, liksom något lägre på denna lista, för dess kombination av både styrka och seghet. Det är det svåraste materialet att inte inkludera kol.

2.) Buckypaper. Det är välkänt sedan slutet av 1900-talet att det finns en form av kol som är ännu svårare än diamanter: kolnanotuber., Genom att binda kol tillsammans i en sexkantig form kan den hålla en styv cylindrisk formad struktur mer stabilt än någon annan struktur som är känd för mänskligheten. Om du tar ett aggregat av kolnanotuber och skapar ett makroskopiskt ark av dem, kan du skapa ett tunt ark av dem: buckypaper.

varje enskild nanotube är bara mellan 2 och 4 nanometer över, men var och en är otroligt stark och tuff. Det är bara 10% tyngden av stål men har hundratals gånger styrkan., Det är brandsäkert, extremt termiskt ledande, har enorma elektromagnetiska avskärmningsegenskaper och kan leda till materialvetenskap, Elektronik, militära och till och med biologiska applikationer. Men buckypaper kan inte göras av 100% nanotuber, vilket kanske är det som håller det ur topplaceringen på den här listan.

1.) Grafen. Äntligen: en sexkantig kolgitter som bara är en enda atom tjock. Det är vad ett ark av grafen är, utan tvekan det mest revolutionerande materialet som ska utvecklas och utnyttjas i det 21: a århundradet. Det är det grundläggande strukturella elementet i kolnanotuber själva, och applikationer växer kontinuerligt. För närvarande en multimillion dollarindustri förväntas grafen växa till en multibillion dollarindustri på bara årtionden.,

i proportion till dess tjocklek är det det starkaste materialet känt, är en extraordinär ledare av både värme och el och är nästan 100% transparent för ljus. 2010 års Nobelpris i fysik gick till Andre Geim och Konstantin Novoselov för banbrytande experiment med grafen, och de kommersiella tillämpningarna har bara ökat. Hittills är grafen det tunnaste materialet som är känt, och det enda sexåriga gapet mellan Geim och Novoselovs arbete och deras Nobelpris är en av de kortaste i fysikens historia.,

strävan att göra Material svårare, starkare, mer reptålig, lättare, hårdare, etc., kommer förmodligen aldrig att sluta., Om mänskligheten kan driva gränserna för de material som är tillgängliga för oss längre än någonsin tidigare, kan ansökningarna om vad som blir möjligt bara expandera. För generationer sedan var idén om mikroelektronik, transistorer eller förmågan att manipulera enskilda atomer säkert exklusiv för science-fiction. Idag är de så vanliga att vi tar dem alla för givet.

När vi rusar full kraft in i nanoteknikens ålder blir material som de som beskrivs här allt viktigare och allestädes närvarande för vår livskvalitet., Det är en underbar sak att leva i en civilisation där diamanter inte längre är det svåraste kända materialet; de vetenskapliga framstegen vi gör nytta samhället som helhet. När det 21: a århundradet utvecklas får vi alla se vad som plötsligt blir möjligt med dessa nya material.