Ajatellessaan maailman kovinta materiaalia, jonka ihminen on keksinyt, useimmat ihmiset ajattelevat heti timantteja. Ja se on epäilemättä yksi planeetan jäykimmistä materiaaleista. On kuitenkin olemassa materiaaleja, jotka ylittävät jopa timantit kestävyydellä ja lujuudella.
Tässä artikkelissa kerromme sinulle, mikä on maailman kovin materiaali ja mikä tekee aineesta kovan.
Mikä on kovuus
Kun puhumme puhtaudesta, aineen kovuus määräytyy sen atomi- ja molekyylikoostumuksen perusteella. Tämä koostumus voidaan luoda äärettömällä määrällä mahdollisia yhdistelmiä, ja kunkin materiaalin erityinen elementtiyhdistelmä määrittää viime kädessä sen ainutlaatuiset kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet.
Atomirakenteensa ansiosta hiili on poikkeuksellisen ainutlaatuinen materiaali. Huolimatta siitä, että ytimessä on vain kuusi protonia, hiili pystyy muodostamaan lukuisia monimutkaisia sidoksia sidosgeometrioidensa monipuolisuuden ansiosta. Huomionarvoista on myös hiilen kyky yhdistyä itsensä kanssa, erityisesti korkeissa paineissa, jolloin voidaan muodostaa stabiili kidehila. Näissä ihanteellisissa olosuhteissa hiiliatomit voivat luoda erittäin kestävän rakenteen, joka tunnetaan nimellä timantti.
Nanoteknologian tulon jälkeen on nyt tunnustettu, että aineilla on vähintään kuusi luokitusta, jotka ylittävät timanttien lujuuden. Lisäksi on hyvin todennäköistä, että tämä määrä kasvaa tulevaisuudessa.
Maailman kovin materiaali
Wurtzite
Wurtsiitti on kuuluisa poikkeuksellisesta kestävyydestään, jota verrataan usein tulivuoren kovettuneen magman vahvuuteen. Käyttämällä muita atomeja kuin hiiltä on mahdollista muodostaa kide, jonka yhtenä komponenttina on boorinitridi (BN). Tämä luo lukuisia mahdollisuuksia, kun jaksollisen taulukon viides ja seitsemäs elementti yhdistävät voimansa. Tuloksena oleva yhdistelmä voi esiintyä eri muodoissa, mukaan lukien amorfinen (ei-kiteinen), kuusikulmainen (grafiitin kaltainen), kuutiomainen (hieman pehmeämpi kuin timantti) ja wurtsiitti.
Kaikista mahdollisista muunnelmista lopullinen muoto on oudoin ja äärimmäisen vaivalloisin tuottaa. Wurtsiittia syntyy vain tulivuorenpurkauksissa ja sitä on löydetty rajoitetusti, joten sen tarkkoja kovuusominaisuuksia ei ole testattu suuremmassa mittakaavassa. Wurtsiitti muodostaa kuitenkin erityyppisen kidehilan, joka on tetraedrinen pikemminkin kuin kasvokeskeinen kuutio. Uusimmat simulaatiot osoittavat, että se ylittää timantin 18 % kovuuden suhteen.
Lonsdaleite
Lonsdaleiitti on mineraali, jonka kovuus on kiinnostava aihe erityisesti meteoriittitutkimuksen alalla. Jos kuvittelemme skenaarion, jossa hiiltä sisältävä meteoriitti, erityisesti grafiitti, pääsisi maan ilmakehään ja joutuisi kosketuksiin planeettamme kanssa, olisi loogista olettaa, että tämä kappale olisi erittäin kuuma törmäyksessä. Totuus on kuitenkin, että vain meteoriitin ulkokerrokset kuumenevat, kun taas sisäpuoli pysyy kylmänä suurimman osan matkastaan Maahan.
Iskussa vaikuttavat sisäiset voimat ovat vertaansa vailla mihinkään muuhun maanpinnan luonnonilmiöön. Tämä valtava paine saa grafiitin läpikäymään muodonmuutoksen, mikä johtaa erittäin kiteiseen rakenteeseen. Toisin kuin timantti, tämä rakenne ei ole kuutio, vaan kuusikulmainen, mikä tuottaa kovuuden, joka ylittää timantin 58 %.
Dyneema
Dyneema on kuitu, jonka tiedetään olevan terästä vahvempi. Siirtymällä pois luonnollisista materiaaleista siirrymme synteettisiin materiaaleihin. Kun puhutaan Dyneemasta, on tärkeää huomata, että se on termoplastinen polyeteenipolymeeri, jolla on poikkeuksellinen ominaisuus: sen molekyylipaino on erittäin korkea. Useimmat molekyylit koostuvat atomiketjuista, joissa on yhteensä muutama tuhat atomimassayksikköä (protoneja ja/tai neutroneja).
Kuitenkin UHMWPE (ultra-korkean molekyylipainon polyeteeni) sisältää ketjuja, joiden molekyylimassa on miljoonia atomimassayksiköitä. Tällaiset pitkät ketjut johtavat parantuneisiin molekyylien välisiin vuorovaikutuksiin ja luovat lopulta Dyneeman, uskomattoman vankan materiaalin. Itse asiassa sillä on paras iskunkestävyys kaikista tunnetuista kestomuoveista. Tämä materiaali on niin vahvaa, että se päihittää kaikki muut markkinoilla olevat kiinnitys- ja hinausköydet. Sillä on jopa kyky pysäyttää luoteja, vaikka se on vettä kevyempi. Itse asiassa Dyneema on viisitoista kertaa vahvempi kuin sama määrä terästä.
Amorfinen metalliseos tai metallilasi
Kaikkien fysikaalisten aineiden kaksi ratkaisevaa ominaisuutta ovat lujuus tai sen kestämän voiman määrä ja sitkeys eli kyky vastustaa murtumista. Käytämme esimerkkinä keramiikkaa: se on vahvaa, mutta ei kovin kovaa; Ne voivat rikkoutua pienelläkin iskulla. Kuitenkin ryhmä tutkijoita löysi vuonna 2011 uudentyyppisen mikroseoslasin, joka koostuu viidestä alkuaineesta: fosforista, piistä, germaniumista, hopeasta ja palladiumista. Tämä innovatiivinen materiaali on kestävämpää kuin teräs.
Buckypaperi
2-luvun lopusta lähtien on todettu, että on olemassa hiiltä, joka on kestävämpi kuin timantit: hiilinanoputket. Järjestämällä hiiliatomit kuusikulmaiseen muotoon saadaan kiinteä sylinterimäinen rakenne, joka on vakaampi kuin mikään muu ihmisen löytämä rakenne. Jokainen nanoputki on halkaisijaltaan 4-10 nanometriä, mutta jokainen on vaikuttavan vahva ja kestävä. Hiilinanoputket painavat vain XNUMX % teräksestä, mutta niiden lujuus on satoja kertoja suurempi. Ne ovat myös palonkestäviä, niillä on erinomainen lämmönjohtavuus ja huomattavat sähkömagneettiset suojausominaisuudet. Tällä materiaalilla on useita sovelluksia esimerkiksi materiaalifysiikassa, elektroniikassa, sotilastekniikassa ja biologiassa.
Kuten näet, on olemassa materiaaleja, jotka ovat syrjäyttäneet timantin maailman kovimpana materiaalina. Toivon, että näiden tietojen avulla voit oppia lisää maailman kovimmasta materiaalista ja sen ominaisuuksista.