Maailma kõvema aine nimetamine pole nii lihtne, kui esmapilgul võib tunduda. Fakt on see, et materjalide kõvadus võib mõnest olenevalt erineda välised tegurid. Eelkõige võib see kummalisel kombel olla erinev, kui rakendatav koormus muutub.

Aastaid peeti teemanti kõvaduse standardiks. Samas, miks seda kaaluti? Materjalide maailmas on selle kõvadus endiselt etalon. Superkõvaks nimetatakse kõike, mis on kõvaduse poolest teemandist madalam, kuid läheneb sellele selle näitaja poolest. Ja teemandist kõvemad ained kannavad uhket nimetust "ülitugev".

Ja siin võivad paljud lugejad kahelda. Lõppude lõpuks, mitte nii kaua aega tagasi, isegi koolides, õpetasid nad, et looduses pole midagi kõvemat kui teemant, ja paljud on seda tõde meeles pidanud. Kuid kõik tõed on suhtelised, nagu filosoofid ütlevad. Samuti on muutunud teave meie aja "kõvema teemandi" kohta.

Mis on siis kõvem kui teemant?

Alustame sellest, et ka teemantide kõvadus on erinev. Materjalide kõvadust mõõdetakse gigapaskalites (GPa). Seega võib see indikaator erinevate teemantide puhul varieeruda vahemikus 70 kuni 150 GPa. Nõus, levik on väga märkimisväärne! Tugevuse ülempiir kuulub nn mustadele teemantidele, "carbonadole". Looduslikul kujul leidub neid äärmiselt väikestes kogustes Brasiilias ja Lõuna-Aafrikas.

Kui "tavaline" teemant koosneb ühest kristallist, siis carbonado - alates tohutu hulk süsinikkristallid, mille vahel on tühimikud. On kindlaks tehtud, et need teemandid ei moodustu mitte kõrgel rõhul, vaid tavalisel, ja neid leidub ainult Maa pinnal. Laialt levinud teooria on, et karbonaadosid tõi meie planeedile supernoova plahvatuse tagajärjel tekkinud asteroid.

Niisiis, carbonado on palju kõvem kui "tavaline" teemant, kuid see on siiski teemant. Ja on aineid, mis pole üldse teemandid, vaid on neist kõvemad ja veel kõvemad kui carbonado. Siin nad on:

• fulleriit;
• lonsdaleite;
• wurtsiidboornitriid.

See on täiesti kunstlik materjal, mida looduses ei leidu. Selle kõvadus on hinnanguliselt 310 GPa. Sellest materjalist valmistatud "pliiats" kriimustab kergesti teemantplaati. Fulleriidid koosnevad 1985. aastal sünteesitud fullereeni molekulidest. Selle avastuse eest said selle autorid muu hulgas Nobeli preemia keemias!

Huvitaval kombel oli fulleriit pikka aega uskumatult kallis ja haruldane aine, sest selle sünteesiks on vaja koletult kõrgeid rõhku. Kuid mõni aasta tagasi suutsid vene füüsikud koostöös prantslastega sellest takistusest mööda saada. Nüüd saab ainet luua juba suhteliselt lihtsates tingimustes.

Seda ainet nimetatakse "kuusnurkseks teemandiks", kuna see koosneb ainult modifitseeritud grafiidist. Looduses leidub teda meteoriidikraatrites väga harva, kuid seal on selle kõvadus isegi madalam kui karbonaadil. See kõik puudutab lisandeid, mis lonsdaleiidi looduslikes proovides tingimata esinevad.

Selleks, et see aine vabaneks lisanditest ja saavutaks maksimaalse kõvaduse, tuleb see tohutu rõhu juuresolekul. "Puhta" lonsdaleiidi kõvadus on hinnanguliselt 170-220 GPa.

Mitte kõik teadlased ei usu, et see on kõvem kui teemant. Teisisõnu, tema kolmas koht on endiselt vaieldav. Fakt on see, et normaalses olekus boornitriid, kuigi see on väga kõva, ei kuulu siiski ülitugevate, vaid ülikõvade ainete hulka.

Kõik muutub, kui selle struktuurile avaldatakse survet. Selle aine aatomsidemed on paigutatud nii, et rõhu tõustes need "readistuvad" ja siis muutub boornitriid teemandist kõvemaks!

Nii tutvusime maailma kõvema aine defineerimisega huvitavate ainetega ning samal ajal vabanesime tavapärasest müüdist “kõvema teemandi” kohta.

Meid ümbritsev maailm on endiselt tulvil palju saladusi, kuid isegi teadlastele pikka aega tuntud nähtused ja ained ei lakka hämmastamast ja rõõmustamast. Imetleme erksaid värve, naudime maitseid ja kasutame kõikvõimalike ainete omadusi, mis muudavad meie elu mugavamaks, turvalisemaks ja nauditavamaks. Kõige töökindlamate ja tugevamate materjalide otsingul on inimene teinud palju põnevaid avastusi ning teie ees on valik vaid 25 sellisest ainulaadsest ühendist!

25. Teemandid

Kui mitte kõik, siis peaaegu kõik teavad seda kindlasti. Teemandid pole mitte ainult üks auväärsemaid vääriskive, vaid ka üks kõvemaid mineraale Maal. Mohsi skaalal (kõvadusskaala, mille hinnangu annab mineraali reaktsioon kriimustamisele) on teemant loetletud 10. real. Skaalal on 10 positsiooni ja 10. on viimane ja kõige raskem aste. Teemandid on nii kõvad, et neid saab kriimustada ainult teiste teemantidega.

24. Ämblikuliigi Caaerostris darwini püünisvõrgud


Foto: pixabay

Seda on raske uskuda, kuid ämbliku Caerostris darwini (või Darwini ämbliku) võrk on tugevam kui teras ja kõvem kui Kevlar. See võrk tunnistati maailma kõige kõvemaks bioloogiliseks materjaliks, kuigi nüüd on sellel potentsiaalne konkurent, kuid andmeid pole veel kinnitatud. Spider-kiudu testiti selliste omaduste suhtes nagu purunemispinge, löögitugevus, tõmbetugevus ja Youngi moodul (materjali omadus taluda venimist, kokkusurumist elastse deformatsiooni ajal) ning kõigis nendes näitajates näitas võrk end hämmastavalt. Lisaks on Darwini ämbliku püünisvõrk uskumatult kerge. Näiteks kui mähime oma planeedi Caaerostris darwini kiuga, on nii pika niidi kaal vaid 500 grammi. Nii pikki võrke ei eksisteeri, kuid teoreetilised arvutused on lihtsalt hämmastavad!

23. Aerografiit


Foto: BrokenSphere

See sünteetiline vaht on üks kergemaid kiudmaterjale maailmas ja on vaid mõne mikromeetrise läbimõõduga süsiniktorude võrgustik. Aerografiit on 75 korda kergem kui polüstüreen, kuid samas palju tugevam ja plastilisem. Seda saab kokku suruda kuni 30 korda esialgsest suurusest, ilma et see kahjustaks selle äärmiselt elastset struktuuri. Tänu sellele omadusele talub aerografiitvaht koormust kuni 40 000 korda tema enda kaalust.

22. Pallaadiumi metallikklaas


Foto: pixabay

California Tehnoloogiainstituudi ja Berkeley Labi (California Institute of Technology, Berkeley Lab) teadlaste meeskond on välja töötanud uut tüüpi metallist klaas, mis ühendab endas peaaegu ideaalse tugevuse ja elastsuse kombinatsiooni. Uue materjali ainulaadsuse põhjus peitub selles, et selle keemiline struktuur varjab edukalt olemasolevate klaasjas materjalide rabedust, säilitades samal ajal kõrge vastupidavusläve, mis lõppkokkuvõttes suurendab oluliselt selle sünteetilise struktuuri väsimustugevust.

21. Volframkarbiid


Foto: pixabay

Volframkarbiid on uskumatult kõva materjal, millel on kõrge kulumiskindlus. IN teatud tingimused seda liigendit peetakse väga rabedaks, kuid suure koormuse korral on sellel ainulaadsed plastilised omadused, mis avalduvad libisemisribadena. Tänu kõigile neile omadustele kasutatakse volframkarbiidi soomust läbistavate otste ja erinevate seadmete, sealhulgas igasuguste lõikurite, abrasiivketaste, puurite, lõikurite, puuriterade ja muude lõikeriistade valmistamisel.

20. Ränikarbiid


Foto: Tiia Monto

Ränikarbiid on üks peamisi lahingutankide valmistamise materjale. See ühend on tuntud oma madala hinna, silmapaistva tulekindluse ja kõrge kõvaduse poolest ning seetõttu kasutatakse seda sageli seadmete või seadmete valmistamisel, mis peavad kuulid kõrvale tõrjuma, lõikama või lihvima muid kõvasid materjale. Ränikarbiidist saab suurepäraseid abrasiive, pooljuhte ja isegi ehteid, mis jäljendavad teemante.

19. Kuubiline boornitriid


Foto: wikimedia commons

Kuubik boornitriid on ülikõva materjal, mis on kõvaduse poolest sarnane teemandiga, kuid millel on ka mitmeid eristavaid eeliseid – stabiilsus kõrgel temperatuuril ja vastupidavus kemikaalidele. Kuubiline boornitriid ei lahustu rauas ja niklis isegi kõrgete temperatuuride mõjul, teemant aga astub samadel tingimustel keemilistesse reaktsioonidesse üsna kiiresti. Tegelikult on see kasulik selle kasutamiseks tööstuslikes lihvimistööriistades.

18. Ülikõrge molekulmassiga polüetüleen (UHMWPE), Dyneema kiu kaubamärk


Foto: Justsail

Kõrge mooduliga polüetüleenil on äärmiselt kõrge kulumiskindlus, madal hõõrdetegur ja kõrge purunemiskindlus (madala temperatuuri töökindlus). Tänapäeval peetakse seda maailma tugevaimaks kiuliseks aineks. Selle polüetüleeni kõige hämmastavam asi on see, et see on veest kergem ja suudab samal ajal kuulid peatada! Dyneema kiududest valmistatud kaablid ja köied ei vaju vees, ei vaja määrimist ega muuda oma omadusi märjana, mis on laevaehituses väga oluline.

17. Titaanisulamid


Foto: Alchemist-hp (pse-mendelejew.de)

Titaanisulamid on uskumatult plastilised ja näitavad venitamisel hämmastavat tugevust. Lisaks on neil kõrge kuuma- ja korrosioonikindlus, mistõttu on need äärmiselt kasulikud sellistes valdkondades nagu lennukid, raketitööd, laevaehitus, keemia-, toiduaine- ja transporditehnika.

16. Vedel metallisulam


Foto: pixabay

2003. aastal California Tehnoloogiainstituudis välja töötatud materjal on tuntud oma tugevuse ja vastupidavuse poolest. Ühendi nimetus seostub millegi rabeda ja vedelaga, kuid toatemperatuuril on see tegelikult ebaharilikult kõva, kulumiskindel, ei karda korrosiooni ja muundub kuumutamisel nagu termoplast. Peamisteks kasutusaladeks on seni kellade, golfikeppide ja mobiiltelefonide (Vertu, iPhone) kaante valmistamine.

15. Nanotselluloos


Foto: pixabay

Nanotselluloos on isoleeritud puidukiududest ja on uut tüüpi puitmaterjal, mis on isegi terasest tugevam! Lisaks on nanotselluloos ka odavam. Innovatsioonil on suur potentsiaal ja see võib tulevikus tõsiselt konkureerida klaasi ja süsinikkiuga. Arendajad usuvad, et selle materjali järele on peagi suur nõudlus armee soomuste, ülipainduvate ekraanide, filtrite, painduvate akude, absorbeerivate aerogeelide ja biokütuste tootmisel.

14. "Meretaldriku" tüüpi tigude hambad


Foto: pixabay

Varem rääkisime teile Darwini ämbliku püünisvõrgust, mida kunagi tunnistati planeedi kõige vastupidavamaks bioloogiliseks materjaliks. Hiljutine uuring näitas aga, et limpet on kõige vastupidavam teadusele teadaolev bioloogiline aine. Jah, need hambad on tugevamad kui Caaerostris darwini võrk. Ja see pole üllatav, sest tillukesed mereelukad toituvad karmide kivimite pinnal kasvavatest vetikatest ja need loomad peavad kõvasti tööd tegema, et kivist toitu eraldada. Teadlased usuvad, et tulevikus saame kasutada inseneritööstuses lonkade hammaste kiulise struktuuri näidet ning hakata ehitama lihtsate tigude näitest inspireerituna suurema tugevusega autosid, paate ja isegi lennukeid.

13. Martensiiteras


Foto: pixabay

Martensiitteras on suure tugevusega ja kõrge legeeritud sulam, millel on suurepärane elastsus ja sitkus. Materjali kasutatakse laialdaselt raketiteaduses ja sellest valmistatakse kõikvõimalikke tööriistu.

12. Osmium


Fotod: Periodictableru / www.periodictable.ru

Osmium on uskumatult tihe element ning selle kõvaduse ja kõrge sulamistemperatuuri tõttu on seda raske töödelda. Seetõttu kasutatakse osmiumi seal, kus hinnatakse enim vastupidavust ja tugevust. Osmiumisulameid leidub elektrikontaktides, raketiseadmetes, sõjalistes mürskudes, kirurgilistes implantaatides ja paljudes muudes rakendustes.

11. Kevlar


Foto: wikimedia commons

Kevlar on suure vastupidavusega kiudaine, mida leidub Autorehvid, piduriklotsid, trossid, proteesid ja ortopeedilised tooted, soomusvestid, kaitseriietuskangad, laevaehitus ja mehitamata õhusõidukite osad lennukid. Materjalist on saanud peaaegu tugevuse sünonüüm ja see on uskumatult suure tugevuse ja elastsusega plastik. Kevlari tõmbetugevus on 8 korda suurem kui terastraadil ja see hakkab sulama temperatuuril 450 ℃.

10. Ülikõrge molekulmassiga suure tihedusega polüetüleen, kiudude kaubamärk "Spectra" (Spectra)


Foto: Tomas Castelazo, www.tomascastelazo.com / Wikimedia Commons

UHMWPE on sisuliselt väga vastupidav plast. UHMWPE kaubamärk Spectra on omakorda kõrgeima kulumiskindlusega kerge kiud, mis on selle näitaja poolest 10 korda parem kui teras. Nagu Kevlar, kasutatakse spektrit soomusvestide ja kaitsekiivrite valmistamisel. Koos UHMWPE-ga on dainimo spekter populaarne laevaehitus- ja transporditööstuses.

9. Grafeen


Foto: pixabay

Grafeen on süsiniku allotroopne modifikatsioon ja selle vaid ühe aatomi paksune kristallvõre on nii tugev, et see on 200 korda kõvem kui teras. Grafeen näeb välja nagu toidukile, kuid selle purustamine on peaaegu võimatu ülesanne. Grafeenlehest läbi torgamiseks tuleb sinna torgata pliiats, millele tuleb koorem terve koolibussi raskusega tasakaalustada. Edu!

8. Süsinik-nanotoru paber


Foto: pixabay

Tänu nanotehnoloogiale on teadlastel õnnestunud valmistada paberit, mis on 50 000 korda õhem kui juuksekarv. Süsiniknanotorude lehed on 10 korda kergemad kui teras, kuid kõige hämmastavam on see, et need on lausa 500 korda tugevamad! Makroskoopilised nanotoruplaadid on superkondensaatori elektroodide valmistamiseks kõige lootustandvamad.

7. Metallist mikrovõrk


Foto: pixabay

Siin on maailma kergeim metall! Metallist mikrovõre on sünteetiline poorne materjal, mis on vahtplastist 100 korda kergem. Aga las ta välimusÄrge laske end petta, need mikrovõrgud on ka uskumatult tugevad, mistõttu on neil suurepärane potentsiaal kasutada igasugustes insenerirakendustes. Nendest saab valmistada suurepäraseid amortisaatoreid ja soojusisolaatoreid ning selle metalli hämmastav võime kokku tõmbuda ja naasta algsesse olekusse võimaldab seda kasutada energia salvestamiseks. Metallist mikrovõrke kasutatakse aktiivselt ka Ameerika ettevõtte Boeing lennukite erinevate osade tootmisel.

6. Süsiniknanotorud


Foto: kasutaja Mstroeck / en.wikipedia

Ülalpool oleme juba rääkinud ülitugevatest makroskoopilistest süsinik-nanotoru plaatidest. Aga mis materjal see on? Tegelikult on need torusse rullitud grafeenitasapinnad (9. punkt). Tulemuseks on uskumatult kerge, vetruv ja vastupidav materjal paljudeks rakendusteks.

5. Airbrush


Foto: wikimedia commons

See materjal, mida tuntakse ka kui grafeenaerogeeli, on ülikerge ja samal ajal tugev. Uut tüüpi geel on vedela faasi täielikult asendanud gaasilisega ning seda iseloomustab sensatsiooniline kõvadus, kuumakindlus, madal tihedus ja madal soojusjuhtivus. Uskumatult on grafeenaerogeel õhust 7 korda kergem! Unikaalne segu suudab taastada oma algse kuju isegi pärast 90% kokkusurumist ja suudab neelata kuni 900 korda rohkem kui aerosooli imamiseks kasutatud õli. Võib-olla aitab see materjalide klass tulevikus võidelda keskkonnakatastroofide, näiteks naftareostuse vastu.

4. Nimeta materjal, Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi (MIT) arendus


Foto: pixabay

Seda lugedes töötab MIT-i teadlaste meeskond grafeeni omaduste parandamise nimel. Teadlased ütlesid, et neil on juba õnnestunud selle materjali kahemõõtmeline struktuur kolmemõõtmeliseks muuta. Uus grafeenaine pole veel oma nime saanud, kuid juba on teada, et selle tihedus on 20 korda väiksem kui terasel ja tugevus 10 korda suurem kui terasel.

3. Karbiin


Foto: Smokefoot

Kuigi see on ainult lineaarsed süsinikuaatomite ahelad, on karbüünil kaks korda suurem tõmbetugevus kui grafeenil ja see on 3 korda kõvem kui teemant!

2. Boornitriidi vurtsiidi modifikatsioon


Foto: pixabay

See äsja avastatud looduslik aine tekib vulkaanipursete käigus ja on 18% kõvem kui teemandid. Siiski ületab see teemante mitmete muude parameetrite poolest. Wurtsite boornitriid on üks kahest Maal leiduvast looduslikust ainest, mis on teemandist kõvem. Probleem on selles, et selliseid nitriide on looduses väga vähe ja seetõttu pole neid lihtne uurida ega praktikas rakendada.

1. Lonsdaleite


Foto: pixabay

Tuntud ka kui kuusnurkne teemant, lonsdaleiit koosneb süsinikuaatomitest, kuid selles modifikatsioonis on aatomid paigutatud veidi erinevalt. Nagu wurtsite boornitriid, on lonsdaleiit looduslik aine, mis on kõvem kui teemant. Pealegi on see hämmastav mineraal teemandist lausa 58% kõvem! Nagu wurtsite boornitriid, on see ühend äärmiselt haruldane. Mõnikord tekib lonsdaleiit meteoriitide, mille hulgas on ka grafiit, kokkupõrkel Maaga.

Kas teate, millist materjali meie planeedil peetakse kõige tugevamaks? Me kõik teame koolist, et teemant on kõige tugevam mineraal, kuid see pole kaugeltki kõige tugevam. Kõvadus ei ole peamine ainet iseloomustav omadus. Mõned omadused võivad ennetada kriimustusi, teised aga võivad soodustada elastsust. Kas soovite rohkem teada? Siin on materjalide hinnang, mida on väga raske hävitada.

Klassikaline jõunäide, õpikutesse ja peadesse kinni jäänud. Selle kõvadus tähendab kriimustuskindlust. Mohsi skaalal (kvalitatiivne skaala, mis mõõdab erinevate mineraalide vastupidavust) annab teemant 10 punkti (skaala ulatub 1-st 10-ni, kus 10 on kõige kõvem aine). Teemant on nii kõva, et selle lõikamiseks tuleb kasutada teisi teemante.

Darwini ämblikuvõrk, mida sageli nimetatakse maailma kõige keerukamaks bioloogiliseks aineks (kuigi leiutajad on selle väite nüüdseks vaidlustanud), on tugevam kui teras ja jäigem kui Kevlar. Selle kaal pole vähem tähelepanuväärne: Maad ümbritsemiseks piisavalt pikk hõõgniit kaalub vaid 0,5 kg.

See sünteetiline vaht on üks kergemaid ehitusmaterjalid maailmas. Airbrush on umbes 75 korda kergem kui vahtpolüstürool (kuid palju tugevam!). Seda materjali saab kokku suruda kuni 30 korda esialgsest suurusest, ilma et see kahjustaks selle struktuuri. Veel üks huvitav punkt: õhuhari talub massi, mis on 40 000 korda suurem kui tema enda kaal.

Selle aine töötasid välja California teadlased. Mikrolegeeritud klaasil on peaaegu täiuslik jäikuse ja tugevuse kombinatsioon. Põhjus on selles, et selle keemiline struktuur vähendab klaasi haprust, kuid säilitab pallaadiumi jäikuse.

Volframkarbiid on uskumatult kõva ja kvalitatiivselt kõrge jäikusega, kuid see on üsna habras ja seda saab kergesti painutada.

Seda materjali kasutatakse lahingutankide soomukite valmistamisel. Tegelikult kasutatakse seda peaaegu kõiges, mis suudab kuulide eest kaitsta. Selle Mohsi kõvadusaste on 9 ja sellel on ka madal soojuspaisumise tase.

Umbes sama tugeval kui teemandil on kuupmeetril boornitriidil üks oluline eelis: see ei lahustu kõrgel temperatuuril niklis ja rauas. Sel põhjusel saab seda kasutada nende elementide töötlemiseks (nitriidide teemantvormid raua ja nikliga kõrgel temperatuuril).

Seda peetakse maailma tugevaimaks kiuks. Teid võib üllatada tõsiasi, et dyneema on veest kergem, kuid suudab kuulid peatada!

Titaanisulamid on äärmiselt paindlikud ja neil on väga kõrge tõmbetugevus, kuid nende jäikus ei ole sama kui terassulamitel.

Liquidmetal töötas välja Caltech. Vaatamata nimele ei ole see metall vedel ning sellel on toatemperatuuril kõrge tugevus- ja kulumiskindlus. Kuumutamisel võivad amorfsed sulamid kuju muuta.

See uusim leiutis on valmistatud puidumassist, kuid sellel on terasest suurem tugevus! Ja palju odavam. Paljud teadlased peavad nanotselluloosi odavaks alternatiiviks pallaadiumklaasile ja süsinikkiule.

Mainisime varem, et Darwini ämblikud koovad ühte tugevaimat orgaanilist materjali Maal. Sellegipoolest osutusid meripiima hambad ämblikuvõrkudest veelgi tugevamaks. Lünkad hambad on äärmiselt kõvad. Nende hämmastavate omaduste põhjus on eesmärk: vetikate kogumine pinnalt kivid ja korallid. Teadlased usuvad, et tulevikus võiksime kopeerida lubjahammaste kiulist struktuuri ja kasutada seda autotööstuses, laevadel ja isegi lennutööstuses.

See aine ühendab endas kõrge tugevuse ja jäikuse, kaotamata elastsust. Seda tüüpi terassulameid kasutatakse kosmose- ja tööstusliku tootmise tehnoloogiates.

Osmium on äärmiselt tihe. Seda kasutatakse kõrget tugevust ja kõvadust nõudvate asjade valmistamisel ( elektrilised kontaktid, käepidemete käepidemed jne).

Kevlar, mida kasutatakse kõiges alates trummidest kuni kuulikindlate vestideni, on sitkuse sünonüüm. Kevlar on plastik, millel on äärmiselt kõrge tõmbetugevus. Tegelikult on see umbes 8 korda suurem kui terastraadi oma! Samuti talub see temperatuuri umbes 450 ℃.

Suure jõudlusega polüetüleen on tõeliselt vastupidav plast. See kerge ja tugev niit talub uskumatut pinget ja on kümme korda tugevam kui teras. Sarnaselt Kevlariga kasutatakse Spectrat ka ballistikindlate vestide, kiivrite ja soomukite jaoks.

Ühe aatomi paksune grafeenileht (süsiniku allotroop) on 200 korda tugevam kui teras. Kuigi grafeen näeb välja nagu tsellofaan, on see tõeliselt hämmastav. Selle materjali tavalise A1 lehe läbitorkamiseks kuluks pliiatsi peal tasakaalustatud koolibuss!

See nanotehnoloogia on valmistatud süsiniktorudest, mis on 50 000 korda peenemad kui juuksekarv. See seletab, miks see on terasest 10 korda kergem, kuid 500 korda tugevam.

Maailma kergeim metall, metallist mikrovõrk on ka üks kergemaid konstruktsioonimaterjale Maal. Mõned teadlased väidavad, et see on 100 korda kergem kui vahtpolüstürool! Poorne, kuid äärmiselt tugev materjal, seda kasutatakse paljudes tehnoloogiavaldkondades. Boeing on maininud selle kasutamist lennukite tootmises, peamiselt põrandates, istmetes ja seintes.

Süsiniknanotorusid (CNT) võib kirjeldada kui "õmblusteta silindrilisi õõnsaid kiude", mis koosnevad ühest valtsitud puhta grafiidi molekulaarsest lehest. Tulemuseks on väga kerge materjal. Nanoskaalas on süsiniknanotorud 200 korda tugevamad kui teras.

Tuntud ka kui grafeeni aerogeel. Kujutage ette grafeeni tugevust koos kujuteldamatu kergusega. Airgel on õhust 7 korda kergem! See uskumatu materjal taastub täielikult enam kui 90% kokkusurumisest ja suudab oma kaalust kuni 900 korda rohkem õli absorbeerida. Seda materjali loodetakse kasutada naftareostuse koristamiseks.

Massachusettsi polütehnikumi peahoone

Selle kirjutamise ajal usuvad MIT-i teadlased, et nad on avastanud grafeeni 2D tugevuse maksimeerimise saladuse 3D-s. Nende seni nimetamata aine tihedus võib olla umbes 5% terasest, kuid 10 korda suurem.

Vaatamata sellele, et karabiin on üks aatomite ahel, on sellel kaks korda suurem tõmbetugevus kui grafeenil ja kolm korda suurem kui teemandil.

Seda looduslikku ainet toodetakse aktiivsete vulkaanide tuulutusavades ja see on 18% tugevam kui teemant. See on üks kahest looduslikult esinevast ainest, mis on nüüdseks osutunud teemantidest kõvemaks. Probleem on selles, et seda ainet pole palju ja praegu on raske kindlalt öelda, kas see väide vastab 100% tõele.

Tuntud ka kui kuusnurkne teemant, koosneb see aine süsinikuaatomitest, kuid need on lihtsalt paigutatud erinevalt. Koos wurtsiidi ja boornitriidiga on see üks kahest teemandist kõvemast looduslikust ainest. Tegelikult on Londsdaleite 58% kõvem! Kuid nagu ka eelmise aine puhul, on seda suhteliselt väikestes kogustes. Mõnikord juhtub see siis, kui grafiitmeteoriidid põrkuvad planeediga Maa.

Tulevik pole enam kaugel, nii et 21. sajandi lõpuks võime oodata ülitugevate ja ülikergete materjalide ilmumist, mis asendavad kevlari ja teemante. Vahepeal võib vaid imestada kaasaegsete tehnoloogiate arengu üle.

Inimene kasutab oma tegevuses erineva kvaliteediga aineid ja materjale. Ja tähtsusetu pole ka nende tugevus ja usaldusväärsus. Selles artiklis käsitletakse kõige kõvemaid materjale looduses ja kunstlikult loodud.

Üldtunnustatud standard

Materjali tugevuse määramiseks kasutatakse Mohsi skaalat - skaalat materjali kõvaduse hindamiseks selle reaktsiooni järgi kriimustamisele. Võhiku jaoks on kõige kõvem materjal teemant. Teid üllatab, kuid see mineraal on kõige kõvemate seas kuskil 10. kohal. Keskmiselt peetakse materjali ülikõvaks, kui selle väärtused on üle 40 GPa. Lisaks tuleks maailma kõige kõvema materjali väljaselgitamisel arvesse võtta ka selle päritolu olemust. Samal ajal sõltuvad tugevus ja tugevus sageli välistegurite mõjust sellele.

Kõige kõvem materjal maa peal

IN see jaotis pöörakem tähelepanu ebatavalise kristallstruktuuriga keemilistele ühenditele, mis on palju tugevamad kui teemandid ja võivad seda hästi kriimustada. Siin on 6 kõige kõvemat inimese loodud materjali, alustades kõige vähem kõvast.

• Süsiniknitriid – boor. See on saavutus kaasaegne keemia selle tugevusindeks on 76 GPa.
• Grafeen aerogeel (aerographene) - õhust 7 korda kergem materjal, mis taastab oma kuju pärast 90% kokkusurumist. Hämmastavalt vastupidav materjal, mis suudab enda kaalust 900 korda rohkem imada ka vedelikku või isegi õli. Seda materjali plaanitakse kasutada õlireostuse korral.
• Grafeen on ainulaadne leiutis ja kõige vastupidavam materjal universumis. Temast veidi lähemalt allpool.
• Karbiin on allotroopse süsiniku lineaarne polümeer, millest valmistatakse üliõhukesed (1 aatom) ja ülitugevad torud. Sellist toru pikkusega üle 100 aatomi ei suutnud keegi pikka aega ehitada. Kuid Austria teadlastel Viini ülikoolist õnnestus see barjäär ületada. Lisaks, kui varem sünteesiti karabiini väikestes kogustes ja see oli väga kallis, siis tänapäeval on võimalik seda sünteesida tonnides. See avab uued horisondid kosmosetehnoloogiale ja kaugemalegi.
• Elbor (kingsongite, cubonite, borasone) on nanodisainiga ühend, mida kasutatakse tänapäeval laialdaselt metalli töötlemisel. Kõvadus - 108 GPa.

• Fulleriit on kõige kõvem materjal maa peal. inimesele teada Täna. Selle tugevuse 310 GPa tagab asjaolu, et see ei koosne üksikutest aatomitest, vaid molekulidest. Need kristallid kriimustavad teemanti kergesti läbi või läbi nagu nuga.

Inimkäte ime

Grafeen on veel üks inimkonna leiutis, mis põhineb süsiniku allotroopsetel modifikatsioonidel. Välimuselt - õhuke kile ühe aatomi paksune, kuid 200 korda tugevam kui teras, erakordse paindlikkusega.

Grafeeni kohta öeldakse, et selle läbitorkamiseks peab elevant seisma pliiatsi otsas. Samal ajal on selle elektrijuhtivus 100 korda kõrgem kui arvutikiipide ränil. Varsti lahkub see laboritest ja siseneb igapäevaellu päikesepaneelide, mobiiltelefonide ja kaasaegsete arvutikiipide näol.

Kaks väga haruldast looduse anomaaliate tulemust

Looduses leidub väga haruldasi ühendeid, millel on uskumatu tugevus.

• Boornitriid on aine, mille kristallidel on spetsiifiline wurtsiidi kuju. Koormuste rakendamisel jaotuvad kristallvõre aatomitevahelised ühendused ümber, suurendades tugevust 75%. Kõvadusindeks on 114 GPa. See aine tekib vulkaanipursete käigus, looduses on see väga väike.
• Lonsdaleiit (põhifotol) on allotroopne süsinikuühend. Materjal leiti meteoriidikraatrist ja arvatakse, et see tekkis plahvatuse tingimustes grafiidist. Kõvadusindeks on 152 GPa. Looduses harva esinev.

Metsloomade imed

Meie planeedi elusolendite hulgas on neid, kellel on midagi väga erilist.

• Caaerostris darwini võrk. Niit, mida Darwini ämblik kiirgab, on tugevam kui teras ja kõvem kui Kevlar. Just selle veebi võtsid NASA teadlased kosmosekaitseülikondade väljatöötamisel kasutusele.
• Molluski hambad Mere taldrik – nende kiulist struktuuri uurib praegu bioonika. Need on nii tugevad, et võimaldavad molluskil kivisse kasvanud vetikad maha rebida.

rauast kask

Teine looduse ime on Schmidti kask. Selle puit on bioloogilist päritolu kõige kõvem. Ta kasvab Kaug-Idas Kedrovaya Padi looduskaitsealal ja on kantud Punasesse raamatusse. Tugevus on võrreldav raua ja malmiga. Kuid samal ajal ei allu see korrosioonile ja mädanemisele.

Puidu laialdast kasutamist, millest isegi kuulid läbi ei pääse, takistab selle erakordne haruldus.

Metallidest kõige kõvem

See on valge-sinine metall - kroom. Kuid selle tugevus sõltub selle puhtusest. Looduses sisaldab see 0,02%, mis pole sugugi nii väike. Seda ekstraheeritakse silikaatkivimitest. Palju kroomi sisaldavad ka Maale langevad meteoriidid.

See on korrosioonikindel, kuumakindel ja tulekindel. Kroom on osa paljudest sulamitest (kroomteras, nikroom), mida kasutatakse laialdaselt tööstuses ja korrosioonivastastes dekoratiivkatetes.

Koos tugevam

Üks metall on hea, kuid mõnes kombinatsioonis on võimalik anda sulamile hämmastavaid omadusi.

Ülitugev titaani ja kulla sulam on ainus tugev materjal, mis on osutunud eluskudedega bioühilduvaks. Beeta-Ti3Au sulam on nii tugev, et seda ei saa uhmris lihvida. Juba täna on selge, et see on erinevate implantaatide, tehisliigeste ja luude tulevik. Lisaks saab seda kasutada puurimisel, spordivarustuses ja paljudes teistes meie eluvaldkondades.

Sarnased omadused võivad olla ka pallaadiumi, hõbeda ja mõne metalloidi sulamil. Caltechi instituudi teadlased töötavad praegu selle projekti kallal.

Tulevik 20 dollarit tokk

Mis on kõige kõvem materjal, mida tavainimene tänapäeval osta saab? Vaid 20 dollari eest saate osta 6 meetrit Braeöni linti. Alates 2017. aastast on see müügil tootjalt Dustin McWilliams. Keemiline koostis ja tootmismeetodit hoitakse rangelt konfidentsiaalselt, kuid selle omadused on hämmastavad.

Lint mahutab kõike koos. Selleks tuleb see keerata ümber kinnitatavate osade, kuumutada tavalise välgumihkliga ja anda plastikust koostis. soovitud kuju ja kõik. Pärast jahutamist peab vuuk vastu 1 tonni koormust.

Nii kõvad kui pehmed

2017. aastal ilmus teave hämmastava materjali loomise kohta - kõige kõvem ja pehmem samal ajal. Selle metamaterjali leiutasid Michigani ülikooli teadlased. Neil õnnestus õppida, kuidas kontrollida materjali struktuuri ja panna sellel erinevaid omadusi näitama.

Näiteks kasutades seda autode loomiseks, on kere liikumisel jäik ja kokkupõrkel pehme. Keha neelab kontaktenergiat ja kaitseb reisijat.

Tugevuse määratlus viitab materjalide võimele seista vastu hävitamisele välisjõudude ja sisemist pinget põhjustavate tegurite tagajärjel. Suure tugevusega materjalidel on lai kasutusala. Looduses ei leidu mitte ainult kõvametallid ja vastupidavad puiduliigid, vaid ka kunstlikult loodud ülitugevad materjalid. Paljud inimesed usuvad, et maailma kõige kõvem materjal on teemant, kuid kas see on tõesti tõsi?

Üldine informatsioon:

Avamiskuupäev - 60ndate algus;

Pioneerid - Sladkov, Kudrjavtsev, Koršak, Kasatkin;

Tihedus - 1,9-2 g / cm3.

Hiljuti on Austria teadlased lõpetanud töö karbiini säästva tootmise loomiseks, mis on süsiniku allotroopne vorm, mis põhineb süsinikuaatomite sp-hübridisatsioonil. Selle tugevusnäitajad on 40 korda kõrgemad kui teemandil. Teave selle kohta pandi ühte trükitud teadusväljaandest perioodiline Looduslikud materjalid.

Pärast põhjalikku selle omaduste uurimist selgitasid teadlased, et tugevuse poolest ei saa seda võrrelda ühegi varem avastatud ja uuritud materjaliga. Tootmisprotsessi käigus tekkisid aga märkimisväärsed raskused: karbiini struktuur moodustub pikkadeks ahelateks kokku pandud süsinikuaatomitest, mille tulemusena hakkab see tootmisprotsessi käigus lagunema.

Tuvastatud tüügaste kõrvaldamiseks lõid Viini avaliku ülikooli füüsikud spetsiaalse kaitsekatte, milles sünteesiti karabiin. Kaitsekattena kasutati üksteise peale laotud ja "termosesse" rullitud grafeenikihte. Kuigi füüsikud nägid vaeva stabiilsete kujundite saavutamise nimel, leidsid nad, et materjali elektrilisi omadusi mõjutab aatomiahela pikkus.

Teadlased pole veel õppinud, kuidas karbiini kaitsekattest kahjustamata välja tõmmata, seega uue materjali uurimine jätkub, teadlased juhinduvad ainult aatomiahelate suhtelisest stabiilsusest.

Carbin on vähe uuritud süsiniku allotroopne modifikatsioon, mille avastajad olid nõukogude keemikud: A. M. Sladkov, Yu. P. Kudrjavtsev, V. V. Korshak ja V. I. Kasatochkin. Teave katse tulemuste kohta koos Täpsem kirjeldus materjali avastamine 1967. aastal ilmus ühe suurima teadusajakirja - "NSVL Teaduste Akadeemia aruanded" - lehekülgedel. 15 aastat hiljem Ameerikas teadusajakiri Teadus avaldas artikli, mis seadis kahtluse alla Nõukogude keemikute saadud tulemused. Selgus, et süsiniku väheuuritud allotroopsele modifikatsioonile omistatud signaale võib seostada silikaatlisandite olemasoluga. Aastate jooksul on sarnaseid signaale leitud tähtedevahelisest ruumist.

Üldine informatsioon:

Pioneerid - Geim, Novoselov;

Soojusjuhtivus - 1 TPa.

Grafeen on süsiniku kahemõõtmeline allotroopne modifikatsioon, milles aatomid on ühendatud kuusnurkseks võreks. Vaatamata grafeeni suurele tugevusele on selle kihi paksus 1 aatom.

Materjali pioneerid olid vene füüsikud Andrei Geim ja Konstantin Novoselov. Omal maal teadlased rahalist toetust ei leidnud ning otsustasid kolida Hollandisse ning Suurbritannia ja Põhja-Iiri Ühendkuningriiki. 2010. aastal pälvisid teadlased Nobeli preemia.

Grafeenplaadil, mille pindala on üks ruutmeeter ja paksus on üks aatom, hoitakse vabalt kuni nelja kilogrammi kaaluvaid esemeid. Lisaks sellele, et grafeen on väga vastupidav materjal, on see ka väga paindlik. Selliste omadustega materjalist on tulevikus võimalik kududa niite ja muid trossikonstruktsioone, mille tugevus ei ole jämedam terastross. Teatud tingimustel saab Venemaa füüsikute avastatud materjal hakkama kristallstruktuuri kahjustustega.

Üldine informatsioon:

Avamisaasta - 1967;

Värvus - pruun-kollane;

Mõõdetud tihedus - 3,2 g / cm3;

Kõvadus - 7-8 ühikut Mohsi skaalal.

Meteoriidilehtrist leitud lonsdaleiidi struktuur sarnaneb teemandiga, mõlemad materjalid on süsiniku allotroopsed modifikatsioonid. Suure tõenäosusega muutus plahvatuse tagajärjel meteoriidi üheks komponendiks olev grafiit lonsdaleiidiks. Materjali avastamise ajal teadlased seda ei märkinud suur jõudlus kõvadus on aga tõestatud, et kui selles pole lisandeid, siis ei jää see kuidagi alla teemandi suurele kõvadusele.

Üldine teave boornitriidi kohta:

Tihedus - 2,18 g / cm3;

Sulamistemperatuur - 2973 kraadi Celsiuse järgi;

Kristallstruktuur - kuusnurkne võre;

Soojusjuhtivus - 400 W / (m × K);

Kõvadus – vähem kui 10 ühikut Mohsi skaalal.

Wurtsite boornitriidi, mis on boori ühend lämmastikuga, peamised erinevused on termiline ja keemiline vastupidavus ning tulekindlus. Materjal võib olla erineva kristallilise vormiga. Näiteks grafiit on kõige pehmem, kuid stabiilsem, seda kasutatakse kosmetoloogias. Sfaleriidi struktuur kristallvõres sarnaneb teemantidega, kuid pehmuse poolest halvem, samas on parem keemiline ja termiline vastupidavus. Wurtsite boornitriidi sellised omadused võimaldavad seda kasutada kõrgtemperatuuriliste protsesside seadmetes.

Üldine informatsioon:

Kõvadus - 1000 Gn / m2;

Tugevus - 4 Gn / m2;

Metallklaasi avastamise aasta on 1960.

Metallklaas on kõrge kõvadusindeksiga materjal, aatomitasandil korratu struktuur. Metallklaasi ja tavalise klaasi struktuuri peamine erinevus on selle kõrge elektrijuhtivus. Sellised materjalid saadakse tahkisreaktsiooni, kiire jahutamise või ioonkiirguse tulemusena. Teadlased on õppinud leiutama amorfseid metalle, mille tugevus on 3 korda suurem kui terassulamitel.

Üldine informatsioon:

Elastsuse piirang - 1500 MPa;

KCU - 0,4-0,6 MJ / m2.

Üldine informatsioon:

Löögitugevus KST - 0,25-0,3 MJ / m2;

Elastsuse piirang - 1500 MPa;

KCU - 0,4-0,6 MJ / m2.

Martensiiterased on suure löögitugevusega rauasulamid, mis ei kaota elastsust. Vaatamata nendele omadustele ei hoia materjal lõikeserva. Kuumtöötlemisel saadud sulamid on madala süsinikusisaldusega ained, mis võtavad tugevuse intermetallilistest ühenditest. Sulami koostis sisaldab niklit, koobaltit ja muid karbiidi moodustavaid elemente. Seda tüüpi ülitugevat ja legeeritud terast on lihtne töödelda, kuna selle koostises on madal süsinikusisaldus. Selliste omadustega materjal on leidnud rakendust kosmosevaldkonnas, seda kasutatakse raketikehade kattekihina.

Osmium

Üldine informatsioon:

Avamisaasta - 1803;

Võre struktuur on kuusnurkne;

Soojusjuhtivus - (300 K) (87,6) W / (m × K);

Sulamistemperatuur - 3306 K.

Suure tugevusega läikiv sinakasvalge metall kuulub platinoidide hulka. Osmium, millel on kõrge aatomitihedus, erakordne tulekindlus, rabedus, kõrge tugevus, kõvadus ja vastupidavus mehaanilisele pingele ja agressiivsele mõjule keskkond, kasutatakse laialdaselt kirurgias, mõõtmistehnoloogias, keemiatööstus, elektronmikroskoopia, raketitehnoloogia ja elektroonikaseadmed.

Üldine informatsioon:

Tihedus - 1,3-2,1 t / m3;

Süsinikkiu tugevus on 0,5-1 GPa;

Kõrgtugeva süsinikkiu elastsusmoodul on 215 GPa.

Süsinik-süsinik komposiidid - materjalid, mis koosnevad süsinikmaatriksist ja see omakorda on tugevdatud süsinikkiud. Komposiitide peamised omadused on kõrge tugevus, painduvus ja löögitugevus. Komposiitmaterjalide struktuur võib olla kas ühesuunaline või kolmemõõtmeline. Nende omaduste tõttu kasutatakse komposiite laialdaselt erinevates valdkondades, sealhulgas kosmosetööstuses.

Üldine informatsioon:

Ämbliku ametlik avastamisaasta on 2010;

>Vee löögitugevus on 350 MJ/m3.

Esimest korda avastati tohutuid võrke kuduv ämblik Aafrika lähedalt Madagaskari saareriigis. Ametlikult avastati seda tüüpi ämblikud 2010. aastal. Teadlasi huvitasid ennekõike lülijalgsete kootud võrgud. Kandurniidil olevate ringide läbimõõt võib ulatuda kuni kahe meetrini. Darwini võrk on vastupidavam kui sünteetiline kevlar, mida kasutatakse lennunduses ja autotööstuses.

Üldine informatsioon:

Soojusjuhtivus - 900-2300 W / (m × K);

Sulamistemperatuur rõhul 11 ​​GPa - 3700-4000 kraadi Celsiuse järgi;

Tihedus - 3,47-3,55 g / cm3;

Murdumisnäitaja on 2,417-2,419.

Teemant tähendab vanakreeka keeles "hävimatut", kuid teadlased on avastanud veel 9 elementi, mis seda tugevuselt ületavad. Vaatamata teemandi lõputule olemasolule tavalises keskkonnas, kõrgel temperatuuril ja inertgaasis, võib see muutuda grafiidiks. Teemant on võrdluselement (Mohsi skaalal), millel on üks kõrgemaid kõvadusväärtusi. Seda, nagu paljusid vääriskive, iseloomustab luminestsents, mis võimaldab päikesevalguse käes särada.