W swoich działaniach człowiek wykorzystuje różne właściwości substancji i materiałów. Nie bez znaczenia jest ich siła i niezawodność. W tym artykule omówimy najtwardsze materiały w naturze oraz te stworzone sztucznie.
Wspólny standard
Do określenia wytrzymałości materiału używana jest skala Mohsa – skala do oceny twardości materiału na podstawie jego reakcji na zarysowania. Dla laika najtwardszym materiałem jest diament. Będziesz zaskoczony, ale ten minerał znajduje się dopiero na 10. miejscu wśród najtwardszych. Średnio materiał jest uważany za supertwardy, jeśli jego wartości przekraczają 40 GPa. Ponadto, identyfikując najtwardszy materiał na świecie, należy również wziąć pod uwagę charakter jego pochodzenia. Jednocześnie wytrzymałość i trwałość często zależą od wpływu na nią czynników zewnętrznych.
Najtwardszy materiał na Ziemi
W tej sekcji zwrócimy uwagę na związki chemiczne o nietypowej strukturze krystalicznej, które są znacznie silniejsze niż diamenty i mogą je porysować. Przynieśmytop 6 najtwardszych materiałów stworzonych przez człowieka, zaczynając od najmniej twardego.
- Azotek węgla - bor. To osiągnięcie nowoczesnej chemii ma wskaźnik wytrzymałości 76 GPa.
- Aerożel grafenowy (aerografen) to materiał 7 razy lżejszy od powietrza, który po 90% kompresji przywraca swój kształt. Niezwykle wytrzymały materiał, który może wchłonąć 900 razy więcej niż sam waży w cieczy, a nawet oleju. Planuje się, że ten materiał będzie używany w przypadku wycieków ropy.
- Grafen to wyjątkowy wynalazek i najtrwalszy materiał we wszechświecie. Trochę więcej o nim poniżej.
- Carbin to liniowy polimer alotropowego węgla, z którego wykonane są supercienkie (1 atom) i supermocne rurki. Przez długi czas nikomu nie udało się zbudować takiej tuby o długości większej niż 100 atomów. Ale austriackim naukowcom z Uniwersytetu Wiedeńskiego udało się pokonać tę barierę. Ponadto, jeśli wcześniej karabinek był syntetyzowany w niewielkich ilościach i był bardzo drogi, dziś można go zsyntetyzować w tonach. To otwiera nowe horyzonty dla technologii kosmicznej i nie tylko.
- Elbor (kingsongit, kubonit, borazon) to nanoprocesorowy związek, który jest obecnie szeroko stosowany w obróbce metali. Twardość - 108 GPa.
Fulleryt jest najtwardszym materiałem na Ziemi znanym dzisiaj człowiekowi. Jego wytrzymałość 310 GPa zapewnia fakt, że nie składa się z pojedynczych atomów, ale z cząsteczek. Kryształy te z łatwością zarysują diament jak nóż do masła
Cud ludzkich rąk
Grafen to kolejny wynalazek ludzkości oparty na alotropowych modyfikacjach węgla. Wygląda jak cienka warstwa o grubości jednego atomu, ale 200 razy mocniejsza niż stal, o wyjątkowej elastyczności.
Chodzi o grafen, o którym mówią, że aby go przebić, słoń musi stanąć na czubku ołówka. Jednocześnie jego przewodność elektryczna jest 100 razy wyższa niż krzemu w chipach komputerowych. Już niedługo opuści laboratoria i wkroczy w codzienność w postaci paneli słonecznych, telefonów komórkowych i nowoczesnych chipów komputerowych.
Dwa bardzo rzadkie wyniki anomalii w przyrodzie
W naturze są bardzo rzadkie związki, które mają niesamowitą siłę.
- Azotek boru to substancja, której kryształy mają specyficzny kształt wurcytu. Pod wpływem obciążeń połączenia między atomami w sieci krystalicznej ulegają redystrybucji, zwiększając wytrzymałość o 75%. Indeks twardości wynosi 114 GPa. Substancja ta powstaje podczas erupcji wulkanicznych, ma bardzo mały charakter.
- Lonsdaleite (na głównym zdjęciu) to alotropowy związek węgla. Materiał został znaleziony w kraterze meteorytu i uważa się, że powstał z grafitu w warunkach wybuchu. Indeks twardości to 152 GPa. Rzadko spotykany w naturze.
Cuda przyrody
Wśród żywych istot na naszej planecie są takie, które mają coś wyjątkowego.
- Sieć Caaerostris darwini. Nić, którą emituje pająk Darwina, jest mocniejsza niż stal itwardszy niż kevlar. To właśnie tę sieć wykorzystali naukowcy z NASA przy opracowywaniu kosmicznych kombinezonów ochronnych.
- Zęby małża Słoń morski - ich włóknista struktura jest obecnie badana przez bionikę. Są tak silne, że pozwalają mięczakowi oderwać glony, które wrosły w kamień.
Żelazna brzoza
Kolejnym cudem natury jest brzoza Schmidta. Jego drewno to najtwardszy naturalny materiał pochodzenia biologicznego. Rośnie na Dalekim Wschodzie w rezerwacie przyrody Kedrovaya Pad i jest wymieniona w Czerwonej Księdze. Wytrzymałość jest porównywalna z żelazem i żeliwem. Ale nie podlega korozji i gniciu.
Wszędobylskie zastosowanie drewna brzozowego Schmidta, którego nie przebiją nawet pociski, jest utrudnione ze względu na jego wyjątkową rzadkość.
Najtwardszy z metali
To jest niebiesko-biały metal - chrom. Ale jego siła zależy od jego czystości. W naturze zawiera 0,02%, co wcale nie jest takie małe. Pozyskiwany jest ze skał krzemianowych. Meteoryty spadające na Ziemię również zawierają dużo chromu.
Jest odporny na korozję, ciepło i ogniotrwały. Chrom znajduje się w wielu stopach (stal chromowa, nichrom), które są szeroko stosowane w przemyśle oraz w dekoracyjnych powłokach antykorozyjnych.
Mocniejsi razem
Jeden metal jest dobry, ale niektóre kombinacje mogą nadać stopowi niesamowite właściwości.
Supermocny stop tytanu i złota to jedyny mocny materiał, który okazał się biokompatybilny z żywymi tkankami. Stop beta-Ti3Au jest tak mocny, żeniemożliwe do zmielenia w moździerzu. Już dziś wiadomo, że to przyszłość różnych implantów, sztucznych stawów i kości. Ponadto może być stosowany do wiercenia, sprzętu sportowego i wielu innych dziedzin naszego życia.
Podobne właściwości może mieć również stop palladu, srebra i niektórych metaloidów. Obecnie nad tym projektem pracują naukowcy z Instytutu C altech.
Przyszłość za 20 dolarów za motek
Jaki jest najtrudniejszy materiał, jaki można dziś kupić na ulicy? Za jedyne 20 dolarów można kupić 6 metrów taśmy Braeön. Od 2017 roku jest w sprzedaży od producenta Dustin McWilliams. Skład chemiczny i sposób produkcji są utrzymywane w ścisłej tajemnicy, ale jego właściwości są niesamowite.
Wszystko można przymocować taśmą. Aby to zrobić, należy go owinąć wokół skręcanych części, podgrzać zwykłą zapalniczką, plastikową kompozycję należy nadać pożądanemu kształtowi i tyle. Po schłodzeniu złącze wytrzyma obciążenie 1 tony.
Zarówno twarde, jak i miękkie
W 2017 roku pojawiły się informacje o stworzeniu niesamowitego materiału - najtwardszego i najmiększego jednocześnie. Ten metamateriał został wynaleziony przez naukowców z Uniwersytetu Michigan. Udało im się nauczyć, jak kontrolować strukturę materiału i sprawić, by wykazywał on różne właściwości.
Na przykład podczas używania go do tworzenia samochodów, nadwozie będzie sztywne podczas ruchu i miękkie podczas kolizji. Ciało pochłania energię kontaktu i chroni pasażera.
