Najtvrđi materijali: vrste, podjela, karakteristike, zanimljivosti i značajke, kemijska i fizikalna svojstva. Najtvrđa tvar na svijetu: oslobađanje od lažnih istina Koja je tvar najteža na svijetu

Tvrdoća dijamanta može se odrediti pomoću nekoliko ranije poznatih ljestvica. Tvrdoća minerala je pokazatelj čije je mjerenje najbolje izbjegavati ako takva mogućnost postoji. Da biste ispitali tvrdoću, potrebno je izgrebati mineral raznim materijalima. Friedrich Moos, poznati mineralog, predložio je 1811. godine korištenje posebne ljestvice koju je izumio za određivanje tvrdoće kamenja. Kasnije je nazvana Mohsova ljestvica.

Što je tvrdoća? Jednostavno rečeno, to je otpor koji mineral pruža kada ga netko pokuša ogrebati drugim mineralom ili materijalom. Friedrich Mohs razvio je ljestvicu s indeksom tvrdoće od 1 do 10, gdje je 1 talk, a 10 dijamant. Znanstvenik je uzeo lako dostupne minerale u svoju standardnu ​​ljestvicu i poredao ih u liniju sve veće otpornosti na druge minerale. Mohsovi brojevi tvrdoće ne određuju pravu tvrdoću minerala.

Dijamant je najtvrđi prirodni mineral na svijetu, na Mohsovoj ljestvici njegov indeks je 10. Korund ima indeks 9. Znanstvenik je uspio sintetizirati karborund, koji je tvrđi od korunda, ali ipak ne grebe dijamant. Čelik je mnogo inferioran u tvrdoći od dijamanta, njegova tvrdoća se kreće od 5,5 do 7,5 ovisno o leguri. Nije bilo moguće napraviti leguru čelika tvrđu od dijamanta. Ali tvrdoća čelika određuje se pomoću dijamantnih ploča: koliko je ploča ili piramida utisnuta u uzorak čelika, to će biti tvrdoća. Danas se dijamanti u proizvodnji sve više zamjenjuju čeličnim kuglicama od specijalnih legura.

Snaga dijamanta ili zašto je dijamant tako tvrd

Vrlo davno, kada još nije bilo života na Zemlji, a sam planet je bio mlad, na površini su se odvijali prirodni procesi. Tektonska stijena bila je u rastaljenom stanju, miješala se pod utjecajem visokih temperatura i para raznih isparavanja, a zatim se polako hladila. Svi ovi procesi doveli su do stvaranja najtvrđeg kamena koji se danas naziva dijamant.

Podrijetlo imena ovog kamena seže u davna vremena, zašto se počeo zvati dijamant ostaje potpuno nepoznato, ali postoji niz pretpostavki:

1. Riječ dijamant dolazi iz Grčke. “Adamas” – “čvrsto”, “neuništivo”.
2. “Al-ma” je od perzijskog “tvrd”.
3. Naziv kamena dolazi od ženskog imena Eliza ili Eliza. Puni oblik ovog imena, Elizabeta, znači "Božje milosrđe". Prema legendi, postojala je djevojka koja je imala dar liječenja ljudi. Zvala se Eliza. Bila je jaka dušom i tijelom, a svojom je sposobnošću mogla podići na noge i najtežeg bolesnika. Jednog dana Eliza se zaljubila u prekrasnog mladića, on je odgovorio na njezine osjećaje, njihova ljubav je bila lijepa, ali nije dugo trajala. Eliza je otišla na dugo putovanje kako bi obnovila svoje zalihe ljekovitog bilja. U to se vrijeme njezin ljubavnik ozbiljno razbolio. Kad se Eliza vratila, on je već bio mrtav. Djevojčica je živjela u planinama, ušla je u jednu od pećina u planinskom području i gorko plakala. Bile su to njezine prve suze; pretvorile su se u kamenje koje je kasnije postalo poznato kao dijamanti.

Tvrdoća dijamanta i grafita

Zanimljiva je činjenica da je dijamant najtvrđi mineral, dok je grafit ocijenjen ocjenom 1 na Mohsovoj ljestvici, što znači da je najmekši.

Dijamant i grafit sastoje se od identičnih atoma istog kemijskog elementa – ugljika. Zašto je onda jedna tvar najmekša, a druga najtvrđa? Odgovor je vrlo jednostavan. Sve je u kemijskim vezama ili kristalnim rešetkama ovih minerala. Atomi ugljika međusobno su povezani na različite načine, pa pokazuju različita kemijska i fizikalna svojstva: imaju različit izgled, tvrdoću, duktilnost, sjaj i druge parametre. Grafit ima slojevitu strukturu. Atomi ugljika međusobno su slabo povezani, što objašnjava zašto je grafit vrlo mekan.

Lonsdaleite – sintetički dijamant

U prirodi ne postoji tvrđi materijal od dijamanta, ali znanost ne miruje. Znanstvenici su uspjeli sintetizirati tvar koja je 58% jača od dijamanta. Naziv ovog materijala je lonsdaleit. Može izdržati 55 GPa veći pritisak od najtvrđeg prirodnog minerala. No njegova je uporaba gotovo nemoguća jer ju je vrlo teško nabaviti. Troškovi nabave ne opravdavaju potrošeni novac, a njegova upotreba nije posebno potrebna. Lonsdaleite je dobio ime po kristalografkinji Kathleen Lonsdale, koja je porijeklom iz Britanije.

U svojim aktivnostima osoba koristi različite kvalitete tvari i materijala. A njihova snaga i pouzdanost nisu nevažni. U ovom članku bit će riječi o najtvrđim materijalima u prirodi i onima koji su stvoreni umjetnim putem.

Općeprihvaćeni standard

Za određivanje čvrstoće materijala koristi se Mohsova ljestvica – ljestvica za procjenu tvrdoće materijala na temelju reakcije na grebanje. Za prosječnog čovjeka najtvrđi materijal je dijamant. Iznenadit ćete se, ali ovaj mineral je tek negdje na 10. mjestu među najtvrđim. U prosjeku, materijal se smatra supertvrdim ako su njegove vrijednosti iznad 40 GPa. Osim toga, kada se identificira najtvrđi materijal na svijetu, treba uzeti u obzir i prirodu njegovog podrijetla. Štoviše, snaga i trajnost često ovise o utjecaju vanjskih čimbenika na njega.

Najtvrđi materijal na Zemlji

U ovom odjeljku pozornost ćemo posvetiti kemijskim spojevima neobične kristalne strukture, koji su puno jači od dijamanata i lako ih mogu ogrebati. Evo top 6 najtvrđih materijala koje je stvorio čovjek, počevši od najmanje tvrdih.

• Ugljikov nitrid - bor. Ovo dostignuće moderne kemije ima indeks čvrstoće od 76 GPa.
• Grafenski aerogel (aerografen) je materijal 7 puta lakši od zraka koji vraća svoj oblik nakon 90% kompresije. Nevjerojatno izdržljiv materijal koji također može apsorbirati do 900 puta veću težinu od vlastite težine u tekućini ili čak ulju. Ovaj materijal planira se koristiti kod izlijevanja nafte.
• Grafen je jedinstveni izum i najjači materijal u svemiru. Više o tome u nastavku.
• Carbyne je linearni polimer alotropnog ugljika, od kojeg se izrađuju supertanke (1 atom) i super jake cijevi. Dugo vremena nitko nije uspio izgraditi takvu cijev duljine veće od 100 atoma. Ali austrijski znanstvenici sa Sveučilišta u Beču uspjeli su prevladati ovu barijeru. Osim toga, ako se ranije karbin sintetizirao u malim količinama i bio je vrlo skup, danas ga je moguće sintetizirati u tonama. Ovo otvara nove horizonte za svemirsku tehnologiju i više od toga.
• Elbor (kingsongit, kubonit, borazon) je nano-inženjerski spoj koji se danas naširoko koristi u obradi metala. Tvrdoća - 108 GPa.

• Fullerit je najtvrđi materijal na Zemlji poznat čovjeku danas. Njegovu čvrstoću od 310 GPa osigurava činjenica da se ne sastoji od pojedinačnih atoma, već od molekula. Ovi kristali lako će izgrebati dijamant kao što bi nož ogrebao maslac.

Čudo ljudskih ruku

Grafen je još jedan izum čovječanstva koji se temelji na alotropskim modifikacijama ugljika. Izgleda kao tanki film debljine jednog atoma, ali je 200 puta jači od čelika i ima izuzetnu fleksibilnost.

Riječ je o grafenu za koji kažu da da bi ga probili mora biti slon na vrhu olovke. Štoviše, njegova električna vodljivost je 100 puta veća od silicija u računalnim čipovima. Vrlo brzo će napustiti laboratorij i ući u svakodnevni život u obliku solarnih panela, mobitela i modernih računalnih čipova.

Dva vrlo rijetka rezultata anomalija u prirodi

U prirodi se nalaze vrlo rijetki spojevi koji imaju nevjerojatnu snagu.

• Borov nitrid je tvar čiji kristali imaju specifičan wurtzitni oblik. Primjenom opterećenja dolazi do redistribucije veza između atoma u kristalnoj rešetki, povećavajući čvrstoću za 75%. Indeks tvrdoće - 114 GPa. Ova tvar nastaje tijekom vulkanskih erupcija; u prirodi je ima vrlo malo.
• Lonsdaleit (na glavnoj fotografiji) je spoj alotropnog ugljika. Materijal je otkriven u meteoritskom krateru i vjeruje se da je nastao od grafita u eksplozivnim uvjetima. Indeks tvrdoće - 152 GPa. Rijetko se nalazi u prirodi.

Čuda divljeg svijeta

Među živim bićima na našem planetu postoje ona koja imaju nešto vrlo posebno.

• Mreža Caerostris darwini. Nit koju proizvodi Darwinov pauk jača je od čelika i tvrđa od kevlara. Upravo su ovu mrežu koristili NASA-ini znanstvenici pri razvoju svemirskih zaštitnih odijela.
• Zubi mekušca ljepavaca - njihovu vlaknastu strukturu danas proučava bionika. Toliko su jaki da omogućuju mekušcu da otkine alge koje su urasle u kamen.

Željezna breza

Još jedno čudo prirode je Schmidtova breza. Njegovo drvo je najtvrđe biološkog porijekla. Raste na Dalekom istoku u prirodnom rezervatu Kedrovaya Pad i uvršten je u Crvenu knjigu. Čvrstoća usporediva s željezom i lijevanim željezom. Ali u isto vrijeme nije podložan koroziji i truljenju.

Široku upotrebu drva koje ni meci ne mogu probiti otežava njegova iznimna rijetkost.

Najtvrđi od metala

Ovo je plavo-bijeli metal - krom. Ali njegova snaga ovisi o čistoći. U prirodi ga ima 0,02%, što uopće nije tako malo. Dobiva se iz silikatnih stijena. Meteoriti koji padnu na Zemlju također sadrže mnogo kroma.

Otporan je na koroziju, toplinu i vatrostalan. Krom je dio mnogih legura (kromov čelik, nikrom), koje se široko koriste u industriji iu antikorozivnim dekorativnim premazima.

Zajedno smo jači

Jedan metal je dobar, ali u nekim kombinacijama moguće je slitini prenijeti nevjerojatna svojstva.

Ultra jaka legura titana i zlata jedini je čvrsti materijal za koji se pokazalo da je biokompatibilan sa živim tkivom. Legura beta-Ti3Au je toliko jaka da se ne može samljeti u mužaru. Već danas je jasno da je to budućnost raznih implantata, umjetnih zglobova i kostiju. Osim toga, može se koristiti u bušenju, sportskoj opremi i mnogim drugim područjima našeg života.

Legura paladija, srebra i nekih metaloida može imati slična svojstva. Znanstvenici s instituta Caltec trenutno rade na ovom projektu.

Budućnost po 20 dolara po klupku

Koji je najteži materijal koji prosječan čovjek danas može kupiti? Za samo 20 dolara možete kupiti 6 metara Braeön trake. Od 2017. godine u prodaji je od proizvođača Dustin McWilliams. Kemijski sastav i način proizvodnje drže se u strogoj tajnosti, ali njegove kvalitete su nevjerojatne.

Apsolutno sve se može učvrstiti trakom. Da biste to učinili, morate ga omotati oko dijelova koji se pričvršćuju, zagrijati ga običnim upaljačem, dati plastičnom sastavu željeni oblik i to je to. Nakon hlađenja spoj će izdržati opterećenje od 1 tone.

I tvrdi i meki

Godine 2017. pojavile su se informacije o stvaranju nevjerojatnog materijala - najtvrđeg i najmekšeg u isto vrijeme. Ovaj metamaterijal izumili su znanstvenici sa Sveučilišta u Michiganu. Uspjeli su naučiti kako kontrolirati strukturu materijala i natjerati ga da pokazuje različita svojstva.

Na primjer, kada ga koristite za izradu automobila, karoserija će biti kruta u kretanju, a mekana u sudaru. Tijelo apsorbira kontaktnu energiju i štiti putnika.

Dragocjeni kamen prije nekog vremena izgubio je titulu najtvrđeg materijala na svijetu, ustupivši mjesto umjetnim nanomaterijalima nešto veće tvrdoće. Danas se čini da će rijetka prirodna tvar ostaviti iza sebe sve druge - 58% je tvrđa od dijamanta.

Zicheng Pan sa šangajskog sveučilišta Jiao Tong i njegovi kolege modelirali su kako će atomi u dvije tvari koje navodno imaju svojstva vrlo tvrdih materijala reagirati na poseban senzor.

Ekstremni uvjeti

Prvi je wurtzit bor nitrid, koji ima strukturu sličnu dijamantu, ali se sastoji od različitih atoma.

Drugi je mineral lonsdaleit, ili šesterokutni dijamant, sastavljen od atoma ugljika poput dijamanta, ali su organizirani drugačije.
Modeliranje je pokazalo da wurtzit bor nitrid može izdržati 18% više udara od dijamanta, a lonsdaleite - 58% više. Ako se rezultati potvrde fizičkim eksperimentima, oba će materijala biti mnogo tvrđa od bilo koje poznate tvari.

Ali neće biti lako provesti takve testove, jer oba materijala se ne nalaze često u prirodi.

Rijetka tvar lonsdaleit nastaje kada meteoriti koji sadrže grafit padnu na Zemlju, dok wurtzit bor nitrid nastaje tijekom vulkanskih erupcija pod visokim temperaturama i pritiskom.

Fleksibilnost

Ako uspije, wurtzit bor nitrid bi mogao postati korisniji od ta dva zbog svoje otpornosti na kisik pri višim temperaturama od dijamanta. To ga čini idealnim za upotrebu na krajevima alata za rezanje i bušenje koji rade na vrlo visokim temperaturama, ili kao folije otporne na koroziju na površinama svemirskih letjelica, na primjer.

Paradoksalno, wurtzit bor nitrid svoju tvrdoću duguje fleksibilnosti veza između atoma koji ga tvore. Kada je materijal opterećen, neke veze mijenjaju smjer za gotovo 90º kako bi ublažile naprezanje. Nakon što su dijamant i wurtzit bor nitrid podvrgnuti istom procesu, nešto u strukturi wurtzit bor nitrida učinilo ga je gotovo 80% tvrđim, kaže koautor studije Changfeng Chen sa Sveučilišta Nevada u Las Vegasu.

Znanstvenici naglašavaju da su za dokazivanje teorije potrebni pojedinačni kristali svakog materijala. Trenutno ne postoji način za izolaciju ili uzgoj takvih kristala.

Danas ne postoji jedinstvena klasifikacija poludragog kamenja, postoji samo uvjetna podjela. Sve o kamenju i opis svojstava možete saznati na web stranici http://www.catalogmineralov.ru/cont/poludragocennye_kamni.htm. Kada se odlučujete pokloniti dragoj osobi poludragi kamen, prvo se upoznajte s kamenom.

Američki istraživači sa Sveučilišta Indiana u Bloomingtonu uspjeli su identificirati tvar koja bi mogla biti najtrajnija u svemiru. Ova tvar je otkrivena u neutronskim zvijezdama. Zbog specifičnog oblika, istraživači su je nazvali "nuklearna pasta".

Znanstvenici teoretiziraju da se ovaj materijal formira oko kilometar ispod površine neutronske zvijezde: atomske jezgre stisnute su toliko blizu da se stapaju u nakupine materije, gustu mješavinu neutrona i protona. Obično su u obliku kapljica, cjevčica ili listića. Još dublje u neutronskoj zvijezdi nuklearna materija potpuno preuzima vlast i nastaje golema atomska jezgra.

U procesu računalnog modeliranja stručnjaci su procijenili silu koju je potrebno utrošiti da se "nuklearna pasta" rastegne. Pokazalo se da je ova tvar jača od bilo koje druge poznate tvari u svemiru. Fizičari još uvijek nastoje pronaći prave dokaze o postojanju nuklearne paste. Neutronske zvijezde imaju tendenciju da se vrte vrlo brzo i, kao rezultat toga, mogu emitirati valove u svemiru - gravitacijske valove - koji ometaju proučavanje materijala koji čine zvijezde.

Jedan od načina na koji se znanstvenici vode jest fokusiranje svojih istraživanja na unutarnje strukture zvijezda, koje bi mogle podržavati postojanje planina na površini tih nebeskih tijela. Zbog jake gravitacije, visina planina obično nije veća od nekoliko centimetara, ali "nuklearna pasta" može pridonijeti pojavi većih neravnina visokih nekoliko desetaka centimetara.

Karta svijeta za nas je uobičajena stvar - još od škole znamo sve o klimi, podjeli na područja i položaju pojedine zemlje. No nedavno su britanski znanstvenici sa Sveučilišta u Plymouthu došli do otkrića koje će u biti natjerati udžbenike na ponovno pisanje.

Izdržljivi materijali imaju širok raspon namjena. Ne postoji samo najtvrđi metal, već i najtvrđe i najtrajnije drvo, kao i najtrajniji umjetno stvoreni materijali.

Gdje se koriste najtrajniji materijali?

Materijali za teške uvjete rada koriste se u mnogim područjima života. Tako su kemičari u Irskoj i Americi razvili tehnologiju kojom se proizvode izdržljiva tekstilna vlakna. Nit od ovog materijala ima promjer od pedeset mikrometara. Stvoren je od desetaka milijuna nanocijevi koje su spojene polimerom.

Vlačna čvrstoća ovog električno vodljivog vlakna tri je puta veća od one mreže pauka koji plete kuglu. Dobiveni materijal koristi se za izradu ultra-laganih pancira i sportske opreme. Naziv još jednog izdržljivog materijala je ONNEX, stvoren po nalogu američkog Ministarstva obrane. Osim upotrebe u proizvodnji prsluka, novi se materijal također može koristiti u sustavima kontrole leta, senzorima i motorima.

Postoji tehnologija koju su razvili znanstvenici, zahvaljujući kojoj se transformacijom aerogela dobivaju jaki, tvrdi, prozirni i lagani materijali. Na temelju njih moguće je proizvoditi lagane pancirke, oklope za tenkove i izdržljive građevinske materijale.

Znanstvenici iz Novosibirska izumili su plazma reaktor novog principa, zahvaljujući kojem je moguće proizvesti nanotubulene, superčvrsti umjetni materijal. Ovaj materijal je otkriven prije dvadeset godina. To je masa elastične konzistencije. Sastoji se od pleksusa koji se ne mogu vidjeti golim okom. Debljina stijenki ovih pleksusa je jedan atom.

Činjenica da se čini da su atomi ugniježđeni jedan u drugi prema principu "ruske lutke" čini nanotubulen najtrajnijim materijalom od svih poznatih. Kada se ovaj materijal doda betonu, metalu i plastici, njihova se čvrstoća i električna vodljivost značajno povećavaju. Nanotubulen će pomoći da automobili i avioni budu izdržljiviji. Ako novi materijal uđe u široku proizvodnju, tada ceste, kuće i oprema mogu postati vrlo izdržljivi. Bit će ih vrlo teško uništiti. Nanotubulen još nije uveden u široku proizvodnju zbog vrlo visoke cijene. Međutim, znanstvenici iz Novosibirska uspjeli su značajno smanjiti troškove ovog materijala. Sada se nanotubulen ne može proizvoditi u kilogramima, već u tonama.

Najtvrđi metal

Od svih poznatih metala krom je najtvrđi, ali njegova tvrdoća uvelike ovisi o čistoći. Njegova svojstva su otpornost na koroziju, otpornost na toplinu i vatrostalnost. Krom je metal bjelkasto-plave boje. Tvrdoća po Brinellu je 70-90 kgf/cm2. Talište najtvrđeg metala je tisuću devetsto sedam Celzijevih stupnjeva uz gustoću od sedam tisuća dvjesto kg/m3. Ovaj metal nalazi se u zemljinoj kori u količini od 0,02 posto, što je značajno. Obično se nalazi u obliku željezne rude kroma. Krom se vadi iz silikatnih stijena.

Ovaj metal se koristi u industriji, taljenje krom čelika, nichrome, i tako dalje. Koristi se za antikorozivne i dekorativne premaze. Kameni meteoriti koji padaju na Zemlju vrlo su bogati kromom.

Najtrajnije stablo

Postoji drvo koje je jače od lijevanog željeza i može se usporediti sa čvrstoćom željeza. Govorimo o "Brezi Schmidta". Također se naziva i željezna breza. Čovjek ne poznaje jače drvo od ovoga. Otkrio ga je ruski botaničar po imenu Schmidt dok je bio na Dalekom istoku.

Drvo je jedan i pol puta jače od lijevanog željeza, a čvrstoća na savijanje približno je jednaka čvrstoći željeza. Zbog ovih svojstava željezna breza bi ponekad mogla zamijeniti metal, jer ovo drvo nije podložno koroziji i truljenju. Trup broda izrađen od željezne breze ne treba čak ni bojati; brod neće biti uništen korozijom, a također se ne boji kiselina.

Schmidtova breza se ne može probosti ni sjekirom. Od svih breza na našem planetu, Željezna breza je najdugovječnija - živi četiri stotine godina. Njegovo stanište je prirodni rezervat Kedrovaya Pad. Ovo je rijetka zaštićena vrsta koja je navedena u Crvenoj knjizi. Da nije takve rijetkosti, ultra-čvrsto drvo ovog drveta moglo bi se koristiti posvuda.

Ali najviša stabla na svijetu, sekvoje, nisu baš izdržljiv materijal.

Najjači materijal u svemiru

Najizdržljiviji i ujedno najlakši materijal u našem svemiru je grafen. Ovo je ugljična ploča, čija je debljina samo jedan atom, ali je jača od dijamanta, a električna vodljivost je sto puta veća od silicija računalnih čipova.

Grafen će uskoro napustiti znanstvene laboratorije. Svi znanstvenici u svijetu danas govore o njegovim jedinstvenim svojstvima. Dakle, nekoliko grama materijala bit će dovoljno za pokrivanje cijelog nogometnog igrališta. Grafen je vrlo fleksibilan i može se savijati, savijati ili smotati.

Moguća područja njegove upotrebe su solarni paneli, mobiteli, ekrani osjetljivi na dodir, superbrzi računalni čipovi.
Pretplatite se na naš kanal u Yandex.Zen