Kõige kõvemad materjalid: tüübid, klassifikatsioon, omadused, huvitavad faktid ja omadused, keemilised ja füüsikalised omadused. Maailma kõvem aine: valetõdedest vabanemine Mis aine on maailma kõvem

Teemandi kõvadust saab määrata mitme varem tuntud skaala abil. Mineraalide kõvadus on näitaja, mille mõõtmist on sellise võimaluse olemasolul kõige parem vältida. Kõvaduse testimiseks peate mineraali erinevate materjalidega kriimustama. Kuulus mineraloog Friedrich Moos tegi 1811. aastal ettepaneku kasutada kivide kõvaduse määramiseks tema leiutatud spetsiaalset skaalat. Hiljem hakati seda nimetama Mohsi skaalaks.

Mis on kõvadus? Lihtsamalt öeldes on see vastupidavus, mida mineraal pakub, kui keegi üritab seda teise mineraali või materjaliga kriimustada. Friedrich Mohs töötas välja skaala kõvadusindeksiga 1-10, kus 1 on talk ja 10 on teemant. Teadlane võttis kergesti ligipääsetavad mineraalid oma standardskaalasse ja paigutas need järjestikku, et suurendada vastupidavust teistele mineraalidele. Mohsi kõvaduse numbrid ei määra mineraali tegelikku kõvadust.

Teemant on Mohsi skaalal kõige kõvem looduslikult esinev mineraal maailmas, selle indeks on 10. Korundi indeks on 9. Teadlasel õnnestus sünteesida karborund, mis on küll korundist kõvem, kuid siiski ei kriibi teemanti. Teras on kõvaduse poolest palju madalam kui teemant, selle kõvadus on olenevalt sulamist vahemikus 5,5–7,5. Teemandist kõvemat terasesulamit ei olnud võimalik teha. Kuid terase kõvadus määratakse teemantplaatide abil: kui palju plaati või püramiidi terasproovi sisse surutakse, see on kõvadus. Tänapäeval asendatakse teemandid tootmises üha enam spetsiaalsetest sulamitest valmistatud teraskuulidega.

Teemandi tugevus ehk miks teemant on nii kõva

Väga kaua aega tagasi, kui Maal veel elu ei olnud ja planeet ise oli noor, toimusid pinnal looduslikud protsessid. Tektooniline kivim oli sulas olekus, see segunes kõrgete temperatuuride ja erinevate aurude aurude mõjul ning seejärel aeglaselt jahutati. Kõik need protsessid viisid kõige kõvema kivi moodustumiseni, mida tänapäeval nimetatakse teemandiks.

Selle kivi nime päritolu ulatub iidsetesse aegadesse, miks seda teemandiks hakati nimetama, jääb täiesti teadmata, kuid on mitmeid oletusi:

1. Sõna teemant pärineb Kreekast. "Adamas" - "tahke", "hävimatu".
2. "Al-ma" pärineb pärsia sõnast "kõva".
3. Kivi nimi tuleb naisenimest Eliza või Eliza. Selle nime täisvorm Elizabeth tähendab "Jumala halastust". Legendi järgi elas tüdruk, kellel oli anne inimesi tervendada. Tema nimi oli Eliza. Ta oli hingelt ja kehalt tugev ning oma võimetega suutis püsti tõsta ka kõige raskemalt haige inimese. Ühel päeval armus Eliza ilusasse noormehesse, ta vastas tema tunnetele, nende armastus oli ilus, kuid ei kestnud kaua. Eliza läks pikale teekonnale, et täiendada oma ravimtaimede varusid. Sel ajal jäi tema väljavalitu raskelt haigeks. Kui Eliza tagasi tuli, oli ta juba surnud. Tüdruk elas mägedes, läks ühte mägipiirkonna koopasse ja nuttis kibedasti. Need olid tema esimesed pisarad, mis muutusid kivideks, mida hiljem hakati nimetama teemantideks.

Teemandi ja grafiidi kõvadus

Huvitav fakt on see, et teemant on kõige kõvem mineraal, samas kui grafiit on Mohsi skaalal hinnatud 1, mis tähendab, et see on kõige pehmem.

Teemant ja grafiit koosnevad sama keemilise elemendi – süsiniku – identsetest aatomitest. Miks on siis üks aine kõige pehmem ja teine ​​kõige kõvem? Vastus on väga lihtne. See kõik puudutab nende mineraalide keemilisi sidemeid või kristallvõre. Süsinikuaatomid on omavahel seotud erineval viisil, mistõttu neil on erinevad keemilised ja füüsikalised omadused: neil on erinev välimus, kõvadus, plastilisus, läige ja muud parameetrid. Grafiit on kihilise struktuuriga. Süsinikuaatomid on omavahel nõrgalt seotud, mis seletab, miks grafiit on väga pehme.

Lonsdaleite – sünteetiline teemant

Looduses pole teemandist kõvemat materjali, kuid teadus ei seisa paigal. Teadlastel on õnnestunud sünteesida aine, mis on teemandist 58% tugevam. Selle materjali nimi on lonsdaleite. See talub 55 GPa suuremat survet kui kõige kõvem looduslik mineraal. Kuid selle kasutamine on peaaegu võimatu, kuna seda on väga raske hankida. Selle hankimise maksumus ei õigusta kulutatud raha ja selle kasutamine pole eriti vajalik. Lonsdaleite on oma nime saanud kristallograafi Kathleen Lonsdale'i järgi, kes oli algselt pärit Suurbritanniast.

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

Üldtunnustatud standard

Materjali tugevuse määramiseks kasutatakse Mohsi skaalat – skaalat materjali kõvaduse hindamiseks, lähtudes selle reaktsioonist kriimustustele. Tavainimese 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. Veelgi enam, tugevus ja vastupidavus sõltuvad sageli välistegurite mõjust sellele.

Kõige kõvem materjal Maal

Selles osas pöörame tähelepanu ebatavalise kristallstruktuuriga keemilistele ühenditele, mis on palju tugevamad kui teemandid ja võivad neid kergesti kriimustada. Siin on 6 kõige kõvemat inimese loodud materjali, alustades kõige vähem kõvast.

• Süsiniknitriid – boor. Selle kaasaegse keemia saavutuse tugevusindeks on 76 GPa.
• Grafeeni aerogeel (aerographene) on õhust 7 korda kergem materjal, mis taastab oma kuju pärast 90% kokkusurumist. Hämmastavalt vastupidav materjal, mis suudab imada enda kaalust kuni 900 korda rohkem vedelikku või isegi õli. Seda materjali plaanitakse kasutada naftareostuse korral.
• Grafeen on ainulaadne leiutis ja kõige tugevam materjal universumis. Lähemalt selle kohta allpool.
• Carbyne 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 karbiini väikestes kogustes ja see oli väga kallis, siis tänapäeval on võimalik seda sünteesida tonnides. See avab uued horisondid kosmosetehnoloogia ja muu jaoks.
• Elbor (kingsongite, cubonite, boorason) on nanotehnoloogia abil valmistatud ühend, mida kasutatakse tänapäeval laialdaselt metalli töötlemisel. Kõvadus - 108 GPa.

• Fulleriit on tänapäeval inimesele teadaolevalt kõige kõvem materjal Maal. Selle tugevuse 310 GPa tagab asjaolu, et see ei koosne üksikutest aatomitest, vaid molekulidest. Need kristallid kriimustavad teemanti kergesti nagu nuga võid.

Inimese käte ime

Grafeen on veel üks inimkonna leiutis, mis põhineb süsiniku allotroopsetel modifikatsioonidel. See näeb välja nagu ühe aatomi paksune õhuke kile, kuid see on 200 korda tugevam kui teras ja erakordselt paindlik.

Grafeeni kohta öeldakse, et selle läbitorkamiseks peab pliiatsi otsas olema elevant. Lisaks on selle elektrijuhtivus 100 korda kõrgem kui arvutikiipides sisalduval ränil. Varsti lahkub see laborist 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 kristallvõres olevad aatomitevahelised ühendused ümber, suurendades tugevust 75%. Kõvadusindeks - 114 GPa. See aine tekib vulkaanipursete ajal, seda on looduses väga vähe.
• Lonsdaleiit (põhifotol) on allotroopse süsiniku ühend. Materjal avastati meteoriidikraatrist ja arvatakse, et see tekkis grafiidist plahvatusohtlikes tingimustes. Kõvadusindeks - 152 GPa. Looduses leidub harva.

Metsloomade imed

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

• Caerostris darwini võrk. Niit, mida Darwini ämblik toodab, on tugevam kui teras ja kõvem kui Kevlar. Just seda veebi kasutasid NASA teadlased kosmosekaitseülikondade väljatöötamisel.
• Linnukeste hambad – nende kiulist struktuuri uurib tänapäeval 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 ei suuda tungida, takistab selle erakordne haruldus.

Metallidest kõige kõvem

See on sini-valge metall - kroom. Kuid selle tugevus sõltub selle puhtusest. Looduses sisaldab see 0,02%, mis pole sugugi nii vähe. Seda ekstraheeritakse silikaatkivimitest. Maale langevad meteoriidid sisaldavad samuti palju kroomi.

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

Koos oleme tugevamad

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

Ülitugev titaani ja kulla sulam on ainus tugev materjal, mille bioühilduvus eluskudedega on tõestatud. 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.

Pallaadiumi, hõbeda ja mõnede metalloidide sulamil võivad olla sarnased omadused. Calteci Instituudi teadlased töötavad praegu selle projekti kallal.

Tulevikus 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 tootja Dustin McWilliamsilt. Keemilist koostist ja tootmismeetodit hoitakse rangelt saladuses, kuid selle omadused on hämmastavad.

Teibiga saab kinnitada absoluutselt kõike. Selleks tuleb see keerata ümber kinnitatavate osade, kuumutada tavalise tulemasinaga, anda plastikkompositsioonile soovitud kuju ja ongi 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 autode loomisel on kere liikumisel jäik ja kokkupõrke korral pehme. Keha neelab kontaktenergiat ja kaitseb reisijat.

Vääriskivi kaotas mõni aeg tagasi maailma kõvema materjali tiitli, andes teed veidi suurema kõvadusega tehisnanomaterjalidele. Tänapäeval tundub, et haruldane looduslik aine jätab kõik teised maha – see on 58% kõvem kui teemant.

Zicheng Pan Shanghai Jiao Tongi ülikoolist ja tema kolleegid modelleerisid, kuidas kahe aine aatomid, millel on väidetavalt väga kõvade materjalide omadused, reageerivad spetsiaalsele andurile.

Ekstreemsed tingimused

Esimene on wurtsite boornitriid, mille struktuur sarnaneb teemandiga, kuid koosneb erinevatest aatomitest.

Teine on mineraal lonsdaleiit ehk kuusnurkne teemant, mis koosneb süsinikuaatomitest nagu teemant, kuid need on erinevalt organiseeritud.
Modelleerimine näitas, et wurtsite boornitriid talub 18% rohkem lööke kui teemant ja lonsdaleiit - 58% rohkem. Kui tulemused kinnitavad füüsikalised katsed, on mõlemad materjalid palju kõvemad kui ükski teadaolev aine.

Kuid selliseid teste pole lihtne läbi viia, sest kumbagi materjali looduses sageli ei leidu.

Haruldane aine lonsdaleiit tekib grafiiti sisaldavate meteoriitide langemisel Maale, vurtsiidi boornitriid aga vulkaanipursete käigus kõrgel temperatuuril ja rõhul.

Paindlikkus

Kui see õnnestub, võib wurtsite boornitriid muutuda neist kahest kasulikumaks tänu oma hapnikukindlusele kõrgematel temperatuuridel kui teemant. See muudab selle ideaalseks kasutamiseks väga kõrgetel temperatuuridel töötavate lõike- ja puurimistööriistade otstes või näiteks kosmoselaevade pindadel korrosioonikindlate kiledena.

Paradoksaalne on see, et wurtsite boornitriid võlgneb oma kõvaduse tõttu seda moodustavate aatomite vaheliste sidemete paindlikkusele. Kui materjal on pinges, muudavad mõned sidemed pinge leevendamiseks suunda peaaegu 90º. Uuringu kaasautor Changfeng Chen Las Vegase Nevada ülikoolist ütles, et pärast seda, kui teemant ja wurtsiitboornitriidi allutati samale protsessile, muutis miski wurtsiitboornitriidi struktuuris selle peaaegu 80% kõvemaks.

Teadlased rõhutavad, et teooria tõestamiseks on vaja iga materjali monokristalle. Praegu ei ole võimalik selliseid kristalle isoleerida ega kasvatada.

Tänapäeval puudub poolvääriskivide ühtne klassifikatsioon, on ainult tinglik jaotus. Kõike kivide ja nende kirjeldavate omaduste kohta saate teada veebisaidilt http://www.catalogmineralov.ru/cont/poludragocennye_kamni.htm. Otsustades kinkida kallimale poolvääriskiviga, tutvu esmalt kiviga.

Ameerika teadlastel Bloomingtoni Indiana ülikoolist õnnestus tuvastada aine, mis võib olla universumi kõige vastupidavam. See aine avastati neutrontähtedest. Selle spetsiifilise kuju tõttu nimetasid teadlased seda "tuumapastaks".

Teadlased väidavad, et see materjal moodustub umbes kilomeeter neutrontähe pinnast allpool: aatomituumad surutakse kokku nii lähedale, et sulanduvad aineklompudeks, neutronite ja prootonite tihedaks seguks. Tavaliselt on need tilkade, torude või lehtede kujul. Veelgi sügavamal neutrontähe sees võtab tuumaaine täielikult võimust ja moodustub tohutu aatomituum.

Arvutimodelleerimise käigus hindasid eksperdid jõudu, mis tuleb "tuumapasta" venitamiseks kulutada. Selgus, et see aine on tugevam kui ükski teine ​​teadaolev aine Universumis. Füüsikud püüavad endiselt leida tõelisi tõendeid tuumapasta olemasolu kohta. Neutrontähed kipuvad pöörlema ​​väga kiiresti ja seetõttu võivad nad kosmoses eraldada lainetust – gravitatsioonilaineid –, mis segavad tähed moodustavate materjalide uurimist.

Üks viis, kuidas teadlasi suunatakse, on keskenduda oma uurimistöös tähtede sisestruktuuridele, mis võivad toetada mägede olemasolu nende taevakehade pinnal. Tugeva gravitatsiooni tõttu ei ületa mägede kõrgus tavaliselt paar sentimeetrit, kuid “tuumapasta” võib kaasa aidata suuremate, mitmekümne sentimeetri kõrguste ebatasasuste ilmnemisele.

Maailmakaart on meie jaoks tavaline asi – juba kooliajast teame kõike kliimast, aladeks jaotusest ja konkreetse riigi asukohast. Kuid hiljuti tegid Briti teadlased Plymouthi ülikoolist avastuse, mis sunnib sisuliselt õpikuid ümber kirjutama.

Vastupidavatel materjalidel on lai kasutusala. Pole ainult kõige kõvem metall, vaid ka kõige kõvem ja vastupidavam puit, aga ka kõige vastupidavamad kunstlikult loodud materjalid.

Kus kasutatakse kõige vastupidavamaid materjale?

Tugevaid materjale kasutatakse paljudes eluvaldkondades. Nii on Iirimaa ja Ameerika keemikud välja töötanud tehnoloogia, mille abil toodetakse vastupidavat tekstiilkiudu. Sellest materjalist niidi läbimõõt on viiskümmend mikromeetrit. See on loodud kümnetest miljonitest nanotorudest, mis on omavahel polümeeri abil ühendatud.

Selle elektrit juhtiva kiu tõmbetugevus on kolm korda suurem kui kerakudumisämbliku võrgul. Saadud materjali kasutatakse ülikergete soomusvestide ja spordivarustuse valmistamiseks. Teise vastupidava materjali nimi on USA kaitseministeeriumi tellimusel loodud ONNEX. Lisaks soomusvestide tootmisele saab uut materjali kasutada ka lennujuhtimissüsteemides, andurites ja mootorites.

On olemas teadlaste välja töötatud tehnoloogia, tänu millele saadakse aerogeelide muundamisel tugevaid, kõvasid, läbipaistvaid ja kergeid materjale. Nende põhjal on võimalik toota kergeid soomusrüüdeid, tankidele mõeldud soomust ja vastupidavaid ehitusmaterjale.

Novosibirski teadlased leiutasid uue põhimõttega plasmareaktori, tänu millele on võimalik toota ülitugevat tehismaterjali nanotuubuleeni. See materjal avastati kakskümmend aastat tagasi. See on elastse konsistentsiga mass. See koosneb põimikutest, mida palja silmaga ei näe. Nende põimikute seinte paksus on üks aatom.

Asjaolu, et aatomid tunduvad olevat “Vene pesanuku” põhimõttel üksteise sisse pesastunud, teeb nanotuubuleenist kõige vastupidavama materjali. Kui seda materjali lisada betoonile, metallile ja plastile, suureneb nende tugevus ja elektrijuhtivus oluliselt. Nanotuubuleen aitab muuta autod ja lennukid vastupidavamaks. Kui uus materjal jõuab laialdaselt tootmisse, võivad teed, majad ja seadmed muutuda väga vastupidavaks. Neid on väga raske hävitada. Nanotuubuleeni ei ole selle väga kõrge hinna tõttu laialdaselt tootmises veel kasutusele võetud. Kuid Novosibirski teadlastel õnnestus selle materjali maksumust oluliselt vähendada. Nüüd saab nanotuubuleeni toota mitte kilogrammides, vaid tonnides.

Kõige kõvem metall

Kõigist tuntud metallidest on kroom kõige kõvem, kuid selle kõvadus sõltub suuresti selle puhtusest. Selle omadused on korrosioonikindlus, kuumakindlus ja tulekindlus. Kroom on valkjassinise tooniga metall. Selle Brinelli kõvadus on 70-90 kgf / cm2. Kõige kõvema metalli sulamistemperatuur on tuhat üheksasada seitse kraadi Celsiuse järgi, mille tihedus on seitse tuhat kakssada kg/m3. Seda metalli leidub maakoores 0,02 protsenti, mis on märkimisväärne. Tavaliselt leidub seda kroomi rauamaagi kujul. Kroomi kaevandatakse silikaatkivimitest.

Seda metalli kasutatakse tööstuses, kroomterase, nikroomi jne sulatamisel. Seda kasutatakse korrosioonivastaste ja dekoratiivkatete jaoks. Maale langevad kivimeteoriidid on väga kroomirikkad.

Kõige vastupidavam puu

On puitu, mis on malmist tugevam ja mida saab võrrelda raua tugevusega. Räägime “Schmidti kasest”. Seda nimetatakse ka Raudkaseks. Inimene ei tea sellest tugevamat puud. Selle avastas vene botaanik Schmidt Kaug-Idas viibides.

Puit on poolteist korda tugevam kui malm ja selle paindetugevus on ligikaudu võrdne raua omaga. Nende omaduste tõttu võiks rauast kask mõnikord asendada metalli, sest see puit ei ole korrosiooni ega mädanemise all. Rauast kasest valmistatud laeva kere ei pea isegi värvima, korrosioon ei hävi, samuti ei karda see happeid.

Schmidti kaske ei saa kuuliga läbistada, seda ei saa kirvega maha raiuda. Kõigist meie planeedi kaskedest on raudkask pikima elueaga – ta elab nelisada aastat. Selle elupaigaks on Kedrovaya Padi looduskaitseala. See on haruldane kaitsealune liik, mis on kantud Punasesse raamatusse. Kui poleks sellist haruldust, saaks selle puu ülitugevat puitu kõikjal kasutada.

Kuid maailma kõrgeimad puud, sekvoiad, ei ole kuigi vastupidav materjal.

Universumi tugevaim materjal

Meie universumi kõige vastupidavam ja samas kergeim materjal on grafeen. See on süsinikplaat, mille paksus on ainult üks aatom, kuid see on tugevam kui teemant ja elektrijuhtivus on sada korda suurem kui arvutikiipide ränil.

Grafeen lahkub peagi teaduslaboritest. Kõik tänapäeva maailma teadlased räägivad selle ainulaadsetest omadustest. Seega piisab mõnest grammist materjalist terve jalgpalliväljaku katmiseks. Grafeen on väga paindlik ja seda saab voltida, painutada või rullida.

Selle võimalikud kasutusvaldkonnad on päikesepaneelid, mobiiltelefonid, puutetundlikud ekraanid, ülikiired arvutikiibid.
Tellige meie kanal Yandex.Zenis