У своїй діяльності людина використовує різні якості речовин і матеріалів. І зовсім не маловажним є їх міцність і надійність. Про самих твердих матеріалах в природі і створених штучно піде мова в цій статті.
Загальноприйнятий еталон
Для визначення міцності матеріалу використовується шкала Мооса – шкала оцінки твердості матеріалу по його реакції на дряпання. Для обивателя самий твердий матеріал – це алмаз. Ви здивуєтеся, але цей мінерал лише десь на 10-му місці серед самих твердих. У середньому матеріал вважають сверхтвердым, якщо його показники вище 40 ГПа. Крім того, при виявленні самого твердого матеріалу в світі слід враховувати і природу його походження. При цьому міцність і міцність часто залежать від впливу зовнішніх факторів на нього.
Найтвердіший матеріал на Землі
В даному розділі звернемо увагу на хімічні сполуки з незвичайною кристалічною структурою, які набагато міцніше алмазів і цілком можуть його подряпати. Наведемо топ-6 найбільш твердих матеріалів створених людиною, починаючи з найменш твердого.
- Нітрид вуглецю – бора. Це досягнення сучасної хімії має показник міцності 76 ГПа.
- Графеновий аерогель (аэрографен) – матеріал у 7 разів легше повітря, відновлює форму після 90 % стиснення. Дивно міцний матеріал, здатний до того ж ввібрати кількість рідини або навіть масла в 900 разів більше власної ваги. Цей матеріал планується використовувати при розливах нафти.
- Графен – унікальний винахід і самий міцний матеріал у Всесвіті. Про нього нижче трохи докладніше.
- Карбін – лінійний полімер аллотропного вуглецю, з якого роблять супертонкі (1 атом) і суперміцні трубки. Довгий час нікому не вдавалося побудувати таку трубку завдовжки більше ніж 100 атомів. Але австрійським вченим з Віденського Університету вдалося подолати цей бар’єр. Крім того, якщо раніше карбін синтезувався в малих кількостях і був дуже дорогий, то сьогодні з’явилася можливість синтезувати його тоннами. Це відкриває нові горизонти для космотехники і не тільки.
- Ельбор (кингсонгит, кубонит, боразон) – це наноконструированное з’єднання, яке сьогодні широко застосовується в обробці металів. Твердість – 108 ГПа.
- Фуллерит – ось який найтвердіший матеріал на Землі, відомий людині сьогодні. Його міцність 310 ГПа забезпечується тим, що він складається не з окремих атомів, а з молекул. Ці кристали з легкістю подряпають алмаз, як ніж масло.
Диво рук людських
Графен – ще один винахід людства на основі аллотропних модифікацій вуглецю. З вигляду – тонка плівка товщиною в один атом, але в 200 разів міцніше сталі, що володіє винятковою гнучкістю.
Саме про графені кажуть, що, щоб його проткнути, на кінчику олівця повинен стояти слон. При цьому його електропровідність вище кремнію комп’ютерних чіпів в 100 разів. Дуже скоро він покине лабораторії і увійде в повсякденне життя у вигляді сонячних панелей, стільникових телефонів і чіпів сучасних комп’ютерів.
Два дуже рідкісних результату аномалій у природі
У природі зустрічаються дуже рідкісні сполуки, які володіють неймовірною міцністю.
- Нітрид бору – речовина, кристали якого мають специфічну вюрцитную форму. З додатком навантажень з’єднання між атомами в кристалічній решітці перерозподіляються, підвищуючи міцність на 75 %. Показник твердості – 114 ГПа. Утворюється ця речовина при вулканічних виверженнях, в природі його дуже мало.
- Лонсдейліт (на головному фото) – з’єднання аллотропного вуглецю. Матеріал був виявлений у воронці метеорита, вважається, що він утворився з графіту під впливом умов вибуху. Показник твердості – 152 ГПа. У природі зустрічається рідко.
Чудеса живої природи
Серед живих істот на нашій планеті є такі, у яких є щось зовсім особливе.
- Павутина Caerostris darwini. Нитка, яку виділяє павук Дарвіна, міцніше сталі і твердіше кевлара. Саме ця павутина була взята вченими НАСА на озброєння при розробці космічних захисних костюмів.
- Зуби молюска Морське блюдечко – їх волокниста структура вивчається біонікою. Вони настільки міцні, що дозволяють молюскові віддерти водорості, врослі в камінь.
Залізна береза
Ще одне диво природи – береза Шмідта. Її деревина – самий твердий природний матеріал біологічного походження. Росте вона на Далекому Сході в заповіднику Кедрова Падь і внесено в Червону Книгу. Міцність порівнянна з залізом і чавуном. Але при цьому не схильна до корозії і гниття.
Широке використання деревини берези Шмідта, яку не пробивають навіть кулі, перешкоджає її виняткова рідкість.
Самий твердий з металів
Це метал біло-блакитного кольору – хром. Але його міцність залежить від його чистоти. У природі його міститься 0,02 %, що зовсім не так мало. Добувають його із силікатних гірських порід. Багато хрому містять і падаючі на Землю метеорити.
Він корозійностійкий, жароміцний і тугоплавкий. Хром входить до складу багатьох сплавів (хромиста сталь, ніхром), які широко використовуються в промисловості і в антикорозійних декоративних покриттях.
Разом міцніше
Один метал – це добре, але в деяких комбінаціях можливе надання сплаву дивовижних властивостей.
Надміцний сплав титану і золота – єдиний міцний матеріал, який виявився біосумісним з живими тканинами. Сплав beta-Ti3Au настільки міцний, що його неможливо подрібнити в ступці. Вже сьогодні ясно, що це майбутнє різних імплантатів, штучних суглобів і кісток. Крім того, він може бути застосований в буровому виробництві, виготовленні спортивного спорядження і в багатьох інших областях нашого життя.
Подібними властивостями може мати і сплав паладію, срібла і деяких металоїдів. Над цим проектом сьогодні працюють вчені інституту Калтека.
Майбутнє за 20 доларів за моток
Який самий твердий матеріал вже сьогодні може купити будь-який обиватель? Всього за 20 доларів можна купити 6 метрів стрічки Braeön. З 2017 року вона надійшла у продаж від виробника Дастіна Маквильямса. Хімічний склад та спосіб виробництва зберігаються в строгому секреті, але якості її вражають.
Стрічкою можна скріпити абсолютно все. Для цього її необхідно обмотати навколо скріплюються деталей, розігріти звичайної запальничкою, надати пластичному складу потрібну форму і все. Після охолодження стик витримає навантаження в 1 тонну.
І твердий, і м’який
У 2017 році з’явилася інформація про створення дивного матеріалу самого твердого та самого м’якого одночасно. Цей метаматеріал винайшли вчені з Університету Мічиган. Їм вдалося навчитися керувати структурою матеріалу і змушувати його виявляти різні властивості.
Наприклад, при використанні його для створення автомобілів при русі кузов буде володіти жорсткістю, а при зіткненні – м’якістю. Кузов абсорбує енергію зіткнення і захистить пасажира.
