เมื่อใคร่ครวญถึงวัสดุที่แข็งที่สุดในโลกที่มนุษย์ประดิษฐ์ขึ้น คนส่วนใหญ่มักจะนึกถึงเพชรทันที และไม่ต้องสงสัยเลยว่านี่คือหนึ่งในวัสดุที่มีความแข็งที่สุดในโลก อย่างไรก็ตาม มีวัสดุหลายอย่างที่เหนือกว่าเพชรในแง่ของความทนทานและความแข็งแกร่ง
ในบทความนี้ เราจะบอกคุณว่าวัสดุชนิดใดแข็งที่สุดในโลกและอะไรทำให้สารแข็ง
ความแข็งคืออะไร
เมื่อเราพูดถึงความบริสุทธิ์ ความแข็งของสสารจะถูกกำหนดโดยองค์ประกอบของอะตอมและโมเลกุล องค์ประกอบนี้สามารถสร้างขึ้นได้จากการผสมผสานที่เป็นไปได้จำนวนไม่จำกัด และการผสมผสานองค์ประกอบเฉพาะของวัสดุแต่ละชนิดคือสิ่งที่กำหนดคุณลักษณะทางเคมีและกายภาพที่เป็นเอกลักษณ์ในท้ายที่สุด
เนื่องจากโครงสร้างอะตอม คาร์บอนจึงเป็นวัสดุที่มีเอกลักษณ์เฉพาะตัวเป็นพิเศษ แม้ว่าจะมีโปรตอนเพียงหกตัวภายในนิวเคลียส แต่คาร์บอนก็สามารถสร้างพันธะที่ซับซ้อนได้มากมาย เนื่องจากรูปทรงเรขาคณิตของพันธะที่มีความสามารถรอบด้าน สิ่งที่น่าสังเกตอีกประการหนึ่งคือความสามารถของคาร์บอนในการรวมตัวกับตัวมันเอง โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ความดันสูง ซึ่งสามารถสร้างโครงตาข่ายที่เสถียรได้ ภายใต้สภาวะที่เหมาะสมเหล่านี้ อะตอมของคาร์บอนสามารถสร้างโครงสร้างที่ทนทานอย่างน่าทึ่งที่เรียกว่าเพชร
นับตั้งแต่การถือกำเนิดของนาโนเทคโนโลยี เป็นที่ยอมรับกันว่ามีสารอย่างน้อย XNUMX ประเภทที่เกินความแข็งแกร่งของเพชร นอกจากนี้ยังมีความเป็นไปได้มากที่จำนวนนี้จะเพิ่มขึ้นในอนาคต
วัสดุที่แข็งที่สุดในโลก
เวิร์ตไซต์
Wurtzite มีชื่อเสียงในด้านความทนทานเป็นพิเศษ ซึ่งมักจะถูกเปรียบเทียบกับความแข็งแกร่งของแมกมาที่แข็งตัวของภูเขาไฟ การใช้อะตอมอื่นที่ไม่ใช่คาร์บอน สามารถสร้างผลึกที่มีโบรอนไนไตรด์ (BN) เป็นส่วนประกอบหนึ่งได้ สิ่งนี้สร้างความเป็นไปได้มากมายเมื่อองค์ประกอบที่ห้าและเจ็ดของตารางธาตุมารวมกัน ผลการรวมกันสามารถมีได้หลายรูปแบบ รวมถึงอสัณฐาน (ไม่มีผลึก) หกเหลี่ยม (คล้ายกราไฟท์) ลูกบาศก์ (ค่อนข้างอ่อนกว่าเพชร) และเวิร์ทไซต์
ในบรรดารูปแบบที่เป็นไปได้ทั้งหมด รูปแบบสุดท้ายเป็นรูปแบบที่แปลกประหลาดที่สุดและยากลำบากอย่างมากในการผลิต เวิร์ทไซต์เกิดขึ้นเฉพาะระหว่างการปะทุของภูเขาไฟและพบได้ในปริมาณจำกัด ดังนั้นจึงไม่มีการทดสอบคุณสมบัติความแข็งที่แน่นอนในสเกลที่ใหญ่กว่า อย่างไรก็ตาม เวิร์ทไซต์นั้นประกอบขึ้นจากโครงตาข่ายคริสตัลประเภทอื่น ซึ่งมีลักษณะเป็นจัตุรมุขแทนที่จะเป็นลูกบาศก์ที่มีศูนย์กลางที่ใบหน้า การจำลองล่าสุดระบุว่ามีความแข็งเกินกว่าเพชรถึง 18%
ลอนสดาไลต์
Lonsdaleite เป็นแร่ที่มีความแข็งเป็นหัวข้อที่น่าสนใจ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านการวิจัยอุกกาบาต ถ้าเราจินตนาการถึงสถานการณ์ที่อุกกาบาตที่มีคาร์บอน โดยเฉพาะกราไฟต์ เข้าสู่ชั้นบรรยากาศของโลกและสัมผัสกับโลกของเรา ก็มีเหตุผลที่จะสรุปได้ว่าวัตถุนี้จะร้อนจัดมากเมื่อถูกกระแทก อย่างไรก็ตาม ความจริงก็คือ เฉพาะชั้นนอกของอุกกาบาตเท่านั้นที่จะได้รับความร้อน ในขณะที่ภายในยังคงเย็นตลอดการเดินทางส่วนใหญ่สู่โลก
เมื่อกระแทก แรงภายในที่กระทำจะไม่มีใครเทียบได้กับปรากฏการณ์ทางธรรมชาติอื่นๆ บนพื้นผิวโลก แรงกดดันมหาศาลนี้ทำให้กราไฟท์เกิดการเปลี่ยนแปลง ส่งผลให้มีโครงสร้างผลึกสูง ต่างจากเพชรตรงที่โครงสร้างนี้ไม่ใช่ทรงลูกบาศก์ แต่เป็นทรงหกเหลี่ยม ซึ่งทำให้เกิดความแข็งเกินกว่าเพชรถึง 58%
Dyneema
Dyneema เป็นเส้นใยที่รู้กันว่าแข็งแกร่งกว่าเหล็ก เลิกใช้สารธรรมชาติแล้วหันมาใช้วัสดุสังเคราะห์แทน เมื่อพูดถึง Dyneema สิ่งสำคัญที่ควรทราบคือเป็นเทอร์โมพลาสติกโพลีเอทิลีนโพลีเมอร์ที่มีลักษณะพิเศษ: น้ำหนักโมเลกุลสูงมาก โมเลกุลส่วนใหญ่ประกอบด้วยสายโซ่ของอะตอมซึ่งมีหน่วยมวลอะตอมรวมกันหลายพันหน่วย (โปรตอนและ/หรือนิวตรอน)
อย่างไรก็ตาม UHMWPE (โพลีเอทิลีนที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงพิเศษ) ประกอบด้วยโซ่ที่มีมวลโมเลกุลหลายล้านหน่วยมวลอะตอม สายโซ่ยาวดังกล่าวส่งผลให้ปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลดีขึ้น ในที่สุดก็สร้าง Dyneema ซึ่งเป็นวัสดุที่แข็งแกร่งอย่างไม่น่าเชื่อ ในความเป็นจริง มีความทนทานต่อแรงกระแทกสูงที่สุดในบรรดาเทอร์โมพลาสติกที่ได้รับการยอมรับทั้งหมด วัสดุนี้มีความแข็งแรงมากจนมีประสิทธิภาพเหนือกว่าเชือกผูกและเชือกลากอื่นๆ ในตลาด มันยังมีความสามารถในการหยุดกระสุนแม้จะเบากว่าน้ำก็ตาม ในความเป็นจริง Dyneema นั้นแข็งแกร่งกว่าเหล็กจำนวนเท่ากันถึงสิบห้าเท่า
โลหะผสมอสัณฐานหรือแก้วโลหะ
คุณสมบัติที่สำคัญสองประการของสารทางกายภาพทั้งหมดคือความแข็งแรงหรือปริมาณแรงที่สารสามารถรับได้ และความเหนียวหรือความสามารถในการต้านทานการแตกหัก เราใช้เซรามิกเป็นตัวอย่าง: มีความแข็งแรงแต่ไม่ได้แข็งมาก พวกเขาสามารถคุ้มทุนได้ด้วยการกระแทกเล็กน้อย อย่างไรก็ตาม กลุ่มนักวิทยาศาสตร์และนักวิจัยได้ค้นพบแก้วไมโครอัลลอยด์ชนิดใหม่ในปี 2011 ซึ่งประกอบด้วยองค์ประกอบ XNUMX ประการ ได้แก่ ฟอสฟอรัส ซิลิคอน เจอร์เมเนียม เงิน และแพลเลเดียม วัสดุที่เป็นนวัตกรรมนี้มีความทนทานมากกว่าเหล็ก
บัคกี้เปเปอร์
นับตั้งแต่ปลายศตวรรษที่ 2 เป็นที่ยอมรับว่ามีคาร์บอนชนิดหนึ่งที่ทนทานกว่าเพชร นั่นก็คือ ท่อนาโนคาร์บอน ด้วยการจัดเรียงอะตอมของคาร์บอนเป็นรูปหกเหลี่ยม ทำให้ได้โครงสร้างทรงกระบอกที่เป็นของแข็งซึ่งมีความเสถียรมากกว่าโครงสร้างอื่นๆ ที่มนุษย์ค้นพบ ท่อนาโนแต่ละอันมีเส้นผ่านศูนย์กลางระหว่าง 4 ถึง 10 นาโนเมตร แต่แต่ละท่อมีความแข็งแรงและทนทานอย่างน่าประทับใจ ท่อนาโนคาร์บอนมีน้ำหนักเพียง XNUMX% ของเหล็ก แต่มีความแข็งแรงมากกว่าหลายร้อยเท่า พวกมันยังทนไฟ มีการนำความร้อนได้ดีเยี่ยม และมีความสามารถในการป้องกันแม่เหล็กไฟฟ้าที่โดดเด่น วัสดุนี้มีการใช้งานที่หลากหลายในสาขาต่างๆ เช่น ฟิสิกส์ของวัสดุ อิเล็กทรอนิกส์ เทคโนโลยีทางทหาร และชีววิทยา
อย่างที่คุณเห็น มีวัสดุหลายอย่างที่ทำให้เพชรกลายเป็นวัสดุที่แข็งที่สุดในโลก ฉันหวังว่าด้วยข้อมูลนี้ คุณจะได้เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับวัสดุที่ยากที่สุดในโลกและคุณลักษณะของมัน