Содержание
Тверже алмаза: ученые исследовали свойства одноатомной углеродной нити
https://ria.ru/20130816/956779330.html
Тверже алмаза: ученые исследовали свойства одноатомной углеродной нити
Тверже алмаза: ученые исследовали свойства одноатомной углеродной нити — РИА Новости, 16.08.2013
Тверже алмаза: ученые исследовали свойства одноатомной углеродной нити
Исследование свойств нового углеродного материала — карбина — показало, что он в два раза прочнее алмаза и графена, а также обладает уникальными электрическими свойствами.
2013-08-16T14:57
2013-08-16T14:57
2013-08-16T16:23
/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content
/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content
https://cdnn21.img.ria.ru/images/sharing/article/956779330.jpg?9567980691376655813
сша
америка
весь мир
северная америка
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.
xn--p1ai/awards/
2013
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
Новости
ru-RU
https://ria.ru/docs/about/copyright.html
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
открытия — риа наука, сша
Наука, Открытия — РИА Наука, США, Америка, Весь мир, Северная Америка
МОСКВА, 16 авг — РИА Новости.
Исследование свойств нового углеродного материала — карбина — показало, что он в два раза прочнее алмаза и графена, а также обладает уникальными электрическими свойствами, говорится в статье, размещенной в электронной библиотеке Корнеллского университета группой под руководством Бориса Якобсона из университета Райса (США).
«Ранее уже было известно о высокой упругости карбина на растяжение, но в практических приложениях куда более важна другая характеристика: удельная жесткость (отношение упругости к весу) — мы установили, что по этому параметру карбин вдвое превосходит графен, алмаз и нанотрубки. Кроме того, мы впервые получили оценку его удельной прочности (прочность на разрыв на единицу массы), и она также оказалась в полтора-два раза выше, чем у этих материалов», — сказал РИА Новости Василий Артюхов из университета Райса, один из авторов исследования.
Пополнение в большой семье
5 октября 2010, 17:13
Необычные свойства графенаНобелевская премия 2010 года по физике присуждена выходцам из России, работающим в Великобритании — Константину Новоселову и Андрею Гейму — за создание графена.
Ученым известно множество различных углеродных материалов. Их свойства радикально отличаются в зависимости от молекулярной структуры, которую образуют атомы углерода. Помимо алмаза и графита, в углеродную «семью» входят нанотрубки, фуллерены («шары», собранные из 60 атомов углерода), графен (слой атомов углерода толщиной в один атом).
Новый член семейства — карбин — представляет собой одноатомную углеродную нить. Впервые о получении этого соединения в 1960-1970-е годы заявили ученые из Института элементоорганических соединений (ИНЭОС) РАН. Группа под руководством Алексея Сладкова утверждала, что им удалось получить две разновидности карбина — кумулен (где каждый атом связан с двумя соседями двумя двойными связями) и полиин (где чередуются тройные и одинарные связи). Однако, впоследствии ученые нашли другие возможные объяснения некоторым из экспериментальных наблюдений.
«Возникла несколько противоречивая ситуация, в которой осторожное по своей природе научное сообщество скорее склонилось к мнению «карбина не существует».
Это не означает, что все свидетельства в пользу существования карбина были опровергнуты. Я бы сказал, что с большой уверенностью можно утверждать, что в 1970-е карбин уже был успешно получен», — сказал Артюхов.
Эксперименты в компьютере
На данный момент получение карбина остается крайне сложной задачей, поэтому ученые пока проводят эксперименты не с настоящим веществом, а прибегают к помощи квантово-механического моделирования на суперкомпьютерах. «В предыдущих работах… внимание было сосредоточено на каких-то отдельных его характеристиках, мы же задались целью охарактеризовать его сразу со всех сторон, то есть создать полную механическую модель материала», — говорит Артюхов.
Результаты такого моделирования показали, что карбин обладает уникально высокой жесткостью — его удельная прочность на килограмм массы составляет 1 миллион килоньютонов на метр. Это в два раза выше прочности нанотрубок и графена (0,45 миллиона килоньютонов) и почти в три раза прочнее алмаза — 0,35 миллиона килоньютонов).
«Мы обнаружили и несколько других интересных явлений, например то, что у карбина можно «включать» крутильную жесткость путем присоединения определенных функциональных групп на концах», — сказал собеседник агентства.
Кроме того, Якобсон и его коллеги смогли доказать, что при растяжении карбиновой нити радикально меняются ее электрические свойства — она «превращается» из формы кумулена (который является проводником) в форму полиина (диэлектрик), то есть, натягивая нить карбина, можно выключать и включать проводимость.
Не космический лифт, но электроника
Пока технологии получения карбина крайне сложны. Самая длинная нить карбина — 6 нанометров — была получена в 2010 году учеными из Канады. Поэтому, по словам Артюхова, карбин может быть использован в качестве компонента различных сложных наносистем. «Он мог бы служить «нанотросом» или «наностержнем» (в зависимости от длины), а также проводящим или полупроводниковым «кабелем», — говорит ученый.
Несмотря на его уникальную механическую прочность, карбин вряд ли можно будет использовать для создания сверхпрочных макроскопических тросов, например для «космических лифтов».
«Дело в том, что прочность материала всегда определяется не самым сильным, а наоборот — самым слабым «звеном» в нем. В углеродных волокнах это — соединения между графитовыми листами, в композитах с нанотрубками — контакт между нанотрубкой и матрицей. И сколько ни улучшай свойства усиливающих элементов в системе, прочность её останется постоянной, если они плохо соединены друг с другом», — говорит Артюхов.
Зато карбин может пригодиться в электронике — в зависимости от натяжения у него резко меняются проводимость и оптический спектр поглощения. «Натяжением можно контролировать, к какой длине волн света материал максимально чувствителен. Это очень полезное свойство для оптоэлектронных приложений, в частности, в телекоммуникациях», — отметил ученый
Что прочнее алмаза
Главная » Статьи » Что прочнее алмаза
Ответы@Mail.Ru: Что тверже алмаза???
самый твердый на Земле – фуллерен. Он тверже алмаза. Но по прочности и он, и алмаз в разы уступают стали.
Ну, а рекордсменом по прочности в настоящее время являются углеродные нанотрубки. В пересчете на миллиметр — аж 8 тонн выдерживают. Опять же, в конструкции конкретных деталей (или даже нитей) эту прочность реализовать пока не дано.
а вы ответите — была бы признательна — просто я не знаю — что имнно твёрже — напишите
Новый углерод тверже алмаза. Алмаз тверже алмаза фуллерен
я думаю мои зубы, потому-что я ими бутылки с пивом открываю!
Твёрдость и прочность — это РАЗНЫЕ характеристики. Прочность характеризует сопротивляемость материала нагрузкам. А твёрдость — это ОТНОСИТЕЛЬНАЯ характеристика. Кто кого царапает. Так что сталь, кто ж спорит, ПРОЧНЕЕ алмаза, но вот поцарапать алмаз сталью нельзя, а сталь алмазом — запросто. Ну а если забираться в область всякой экзотики, типа фуллеренов, — то самым твёрдым веществом, которое по твёрдости превосходит даже фуллерены, являются алмазные нанотрубки (гипералмаз).
Тверже алмаза нет на земле материала искучтвенные алмазы по твердости выше природных, но они тоже алмазы правда их называют иначе.
Твердость это способность царапать оставлять след. и ее не стоит путать с прочность
Тупость человческая не имет равных себе по твёрдости!
Вещество нейтронной звезды. (ещё тверже недоказанная кварковая или преонная звезда). На Земле — фуллерен.
Поразительная неграмотность. Фуллерен- это класс аллотропных модификаций углерода, как алмаз или графит. Фуллерены- это и есть углеродные нанотрубки. Алмазных нанотрубок не существует, так как атомы углерода располагаются в молекуле или пирамидой (алмаз), или кубами (графит), или трубками (фуллерены (замкнутые трубки и сферы-тоже фуллерены)). Так-то. Знайте химию. Ну, или как спросить у гугла.
touch.otvet.mail.ru
Что на свете всех прочнее?
Наноалмаз побьет наноэльбор
С помощью нанотехнологий получены материалы, превосходящие по твердости алмаз и эльбор
Китайским ученым удалось усовершенствовать свойства современных промышленных абразивов, получив материалы, превосходящие по твердости алмаз и эльбор
Представления о том, что алмаз — самый прочный материал в природе, уходят в прошлое.
Опережает его лонсдейлит — еще одна модификация углерода, очень похожая на алмаз (однако у алмаза атомы углерода упакованы в кубическую решетку, а у лонсдейлита — в гексагональную). Прочнее алмаза, при действии на растяжение, графеновый лист — двумерная структура из атомов углерода, всего один из слоев которых — грифель-графит (именно за открытие графена получили Нобелевскую премию в 2010 году британские физики российского происхождения Андрей Гейм и Константин Новоселов).
А из неуглеродных материалов конкуренцию алмазу мог составить нитрид бора — вещество, где ближайшие соседи углерода (у одного меньше протонов и электронов, у азота — на один больше) чередуются.
- Однако современное материаловедение сильно тем, что способно «играть» не только с составом вещества и взаимным расположением атомов — кристаллической упаковкой, но и переходить на более высокий уровень организации — наночастицы. Свойства материала зависят и от того, насколько маленькие по размеру «зерна», в которые он истерт.
В последнем номере журнала Nature многочисленный коллектив китайских ученых и американских ученых китайского происхождения делится рецептом того, как сделать нитрид бора еще прочнее.
За основу авторы статьи взяли эльбор — кубическую модификацию нитрида бора, больше всего похожую на алмаз и замещающую его сегодня в черновой и финишной обработке деталей в тяжелом машиностроении, автомобилестроении, добывающей промышленности.
- Новый материал к тому же обладает впечатляющей комбинацией высочайшей твердости, жесткости и химической стабильности, поэтому авторы надеются на его широкое промышленное применение.
Добиться таких результатов удалось довольно традиционным способом: измельчив зерна материала (так повышается твердость полученного, затем спрессованного композита). Группа физиков под руководством Юнцзюня Тяня из университета Яньшаня в городе Циньхуандао (Китай) разработала специальную синтетическую методику его получения. За основу взята «похожая на лук» слоистая структура нитрида бора — эти слои сжимали под прессом при температуре в 1,6 тыс.
градусов. Полученные таким образом образцы «просеяли» через наносито.
- Оказалось, что удалось достичь потрясающе низких размеров зерен — 3,8 нм.
Ранее ученым удавалось получить лишь наночастицы размером в 14 нм. Конечно, они пытались измельчить «зерна» сильнее, чтобы создать более твердый материал, однако на этом этапе площадь поверхности частиц оказалась слишком велика, и силы, действующие на этих поверхностях, уже не давали зернам «склеиться» в полноценный материал. Именно эти проблемы преодолевает «луковичная» структура исходного нитрида бора.
- Аналогичным образом ученые получили наноструктурированный алмаз с размером частиц 10—30 нм. Если измельчить так сильно удастся и промышленные поликристаллические алмазы, то это вещество вполне может достичь небывалых высот прочности, вернув себе все лавры, считают ученые.
Впрочем, отдаленное будущее может быть отдано тем веществам, которые пока никто не видел. Известный кристаллограф Артем Оганов, профессор Университета штата Нью-Йорк и адъюнкт-профессор МГУ, два года назад предсказал существование новых, пока неизвестных форм углерода hP3, tI12 и tP12, которые должны иметь на 3% более плотную упаковку, чем алмаз, и сравнимую с ним твердость.
Форма углерода tP12 будет диэлектриком с необычной для форм углерода шириной запрещенной зоны – 7,3 электрон-вольт.
- Кроме того, у новых форм углерода будет очень низкая сжимаемость и высокий показатель преломления, то есть по способности противостоять приложенному давлению и блистать они алмаз превзойдут.
Пока еще эти формы не найдены, но практика показывает, что большая часть «предсказаний», сделанных с помощью методики USPEX, разработанной Огановым, сбывается. Поэтому остается ждать новостей от химиков-синтетиков.
Александра Борисова
http://www.gazeta.ru/…929637.shtml
www.nanonewsnet.ru
Твердость алмаза: от чего зависит параметр камня
Здравствуйте, дорогие читатели. Как уже неоднократно отмечалось в наших статьях, алмаз имеет самую высокую твердость среди других минералов. Но какова же твердость алмаза? С чем она сравнивается и кто первым установил этот удивительный факт?
Вообще твердость – это такая величина, благодаря которой можно узнать сопротивление твердого вещества при попытках его повредить другим веществом.
Для этого чаще всего экспериментальный образец царапают. Понятное дело, после такой «проверки» экспериментальный образец безнадежно испорчен, так что подобные процедуры проводят только в самых необходимых случаях.
Открытие твердости алмаза
Еще в начале 19 века (а именно в 1911 году) известный и талантливый ученый в области минералогии Моос Фридрих впервые разработал специальную шкалу для определения твердости, названную в его честь. По этой шкале этот параметр минералов определяется при помощи коэффициента твердости, который распределяется от 1 до 10. Очевидно, что у алмаза данный показатель составляет все 10 баллов. Хотя настоящую твердость данная шакала не определяет, однако является важным показателем.
За основу своей шкалы Моос взял самые доступные на тот момент минералы и сравнил их между собой путем царапания.
Есть ли минерал тверже алмаза?
На данный момент ученые экспериментируют в области создания камня или минерала, способного превзойти алмаз по своей прочности.
На сегодня удалось, например, сделать карборунд. Это материал тверже корунда с твердостью 9, но все равно мягче алмаза. Это был самый твердый после алмаза минерал.
Сплавы сталей на сегодняшний момент также значительно отстают от рассматриваемого камня. Их твердости не превосходят 7,5 по шкале Мооса. Однако даже при таких условиях в некоторых производствах удается заменить алмаз на более дешевые сплавы сталей (для обработки различных деталей и т.п.).
Однако даже при этом факте прочность железа все равно определяют с помощью алмазных пластин, которыми врезаются в поверхность сплава. По создаваемой вмятине и определяют искомый параметр.
Но эксперименты продолжаются. Немногие слышали, но на данный момент есть так называемый лонсдейлит. Он был синтезирован учеными еще в 20 веке, хотя и встречается также в метеоритных останках и т.п. Этот материал (как ранее заявлялось) в полтора раза прочнее алмаза. Максимальное давление, выдерживаемое этой алмазной модификацией, якобы также на 55 ГПа больше.
Но по факту это не так, хотя и есть способы сделать его даже в два раза прочнее алмаза.
Например, при нанокоструированни, можно создавать навнополикристаллы или нанокомпозиты. В результате таких работ как раз и можно добиться ранее упоминаемых результатов. Производители уже готовы предложить такие кристаллы размером около кубического сантиметра.
Однако тут есть и ложка дегтя – стоимость производства лонсдейлита настолько огромна, что практически нигде в наше время не оправдывается экономически. Происходит это из-за трудностей получения вещества, названного в честь британского кристаллографа Лонсдейл Кейтлин. Как минимум, шлифовать лонсдейлит практически нереально в силу его исключительной твердости (если говорить о предварительной специальной обработке, упоминаемой ранее).
Связанные с твердостью алмаза факты
- Как все мы знаем, графит и его родственник алмаз состоят из одного и того же уникального элемента – углерода. Но при этом минерал получил оценку 10 из 10 по шкале Мооса, а графит – всего лишь 1. Секрет такого распределения прост – все дело в структуре камня, его кристаллической решетке. Ведь стоит атомам распределиться несколько иначе, как мы получим некое вещество с абсолютно другими значениями твердости и других параметров.
- Для графита характерна слоистая структура, а для алмаза кубическая.
- Помимо твердости, в зависимости от вида связей атомов между самими собой, меняются также блеск, пластичность, даже внешний вид и многое другое. Тот же графит, например, обладает очень слабыми межатомарными связями.
- Существует несколько предположений насчет названия камня, о свойствах которого уже очень давно знали наши предки. По одному из них «алмаз» происходит от греческого «адамас» («нерушимый»). По другой версии, от персидского «твердый» («ал-ма»). Ну а третья и вовсе отсылает нас к легенде об Элайзе, которая могла лечить людей от любых болезней, но своего возлюбленного спасти не успела. Из ее слез и появились алмазы, образованные от имени девушки.
Секрет такого распределения прост – все дело в структуре камня, его кристаллической решетке. Ведь стоит атомам распределиться несколько иначе, как мы получим некое вещество с абсолютно другими значениями твердости и других параметров.
youtube.com/embed/QZGpK1pNuhg»/>
Таким образом, на Земле на данный момент крайне трудно отыскать что-то столь же твердое как алмаз. Однако уже сейчас производятся материалы, превосходящие камень по своей прочности, способности к окислению и температурной устойчивости.
На этом мы прощаемся с вами, но надеемся еще не раз встретить вас на страницах ресурса. До скорых встреч, друзья.
Команда ЛюбиКамни
lubikamni.ru
Что тверже алмаза?
По сей день алмаз остается веществом с самой высокой воспринимаемой твердостью.
Ученые определили, что нитрид бора вюрцит (w-BN) обладает большей прочностью на вдавливание, чем алмаз, принимая во внимание значительное сжимающее давление под инденторами. Исследователи также обнаружили, что лонсдейлит (широко известный как шестиугольный алмаз, поскольку он состоит из углерода и сравним с алмазом) на 58% прочнее алмаза, что делает его самым прочным из когда-либо измеренных веществ.
Алмазы заслужили репутацию самого прочного природного вещества на протяжении многих веков. Стойкость алмаза к вдавливанию была впервые продемонстрирована два года назад в композитном материале, включающем минерал вюрцит BN.
Исследователи разработали теоретические модели, показывающие, что чистый вюрцит BN намного прочнее алмаза. Говорят, что структура лонсдейлита, подобная структуре вюрцита, поддается трансформации под давлением в материал, который на 58% тверже алмаза.
Само вдавливание может привести к фазовому переходу вюрцита-BN в новую кристаллическую структуру с исключительной прочностью.
Исследователи утверждают, что большая прочность w-BN и лонсдейлита является результатом структурной реакции материалов на сжатие. С инденторами, применяющими нормальное сжимающее давление, материалы подвергаются структурному фазовому сдвигу в более прочные структуры, сохраняя объем за счет переворачивания их атомных связей. По мнению исследователей, отчетливая структурная реакция w-BN и лонсдейлита может быть связана с незначительными изменениями в направленности связи между этими двумя материалами и алмазом.
При воздействии высоких компрессионных давлений BN’s w-прочности повышается на 78% по сравнению с его значением до склеивания-переворота. При тех же условиях вдавливания ученые определили, что w-BN достигает прочности 114 ГПа, что намного выше, чем у алмаза 97 ГПа. Прочность на вдавливание лонсдейлита составляет 152 ГПа, что на 58% больше, чем у алмаза, благодаря переворачиванию связей, которое произошло во время того же процесса сжатия.
Лонсдейлит на основе углерода более прочен, чем сплав бора и азота, известный как w-BN.
Углерод-углеродные связи лонсдейлита более прочные, чем связи w-бор-азот BN. Это также является причиной того, что алмаз имеет кубическую структуру, более прочную, чем c-BN, который также имеет кубическую структуру.
Несмотря на то, что алмазы намного тверже любого из них, они являются всего лишь седьмым по твердости веществом, когда-либо обнаруженным или произведенным на Земле. Их превзошли во многих отношениях, но они по-прежнему держат один рекорд, которого не могут побить ни синтетические, ни редкие натуральные материалы.
Алмазы остаются самым твердым материалом с самой высокой устойчивостью к царапинам. Алмазы значительно тверже и более устойчивы к царапинам, чем любой другой материал, даже невероятно твердая керамика или карбид вольфрама. Рубины и сапфиры, два других драгоценных камня, известных своей твердостью, не так тверды, как алмазы.
Ваша компания ищет авторитетную компанию, специализирующуюся на услугах по сварке металлов в Мельбурне? Austgen Metal Fabrication Melbourne специализируется на сварочных процессах, которые могут сделать эти типы профессиональных и долговечных сварных швов для вас.
Содержание
Но эти материалы превзошли по твердости даже хваленый алмаз.
Вюрцит Нитрид бора
Нитрид бора (BN), в котором пятый и седьмой элементы в периодической таблице объединяются, создавая множество возможностей, является одним из многих атомов или соединений, которые можно использовать для построения кристалла на месте. углерода. Он имеет различные кристаллические структуры, в том числе аморфную, гексагональную (как графит), кубическую (как алмаз, но слабее) и вюрцит.
Последний из этих типов необычен и труднодоступен. Из-за его редкости нам никогда не удавалось провести реальное исследование его твердости. Образуется во время извержений вулканов. Новое компьютерное моделирование показывает, что, несмотря на формирование тетраэдрической кристаллической структуры, а не гранецентрированной кубической, этот материал на 18% прочнее алмаза.
Если вы ищете надежную компанию, которая может предоставить первоклассные инженерные услуги и услуги ЧПУ в Мельбурне, обратите внимание на компанию Australian General Engineering.
Lonsdaleite
Давайте представим, что метеор, богатый углеродом и таким образом содержащий графит, проносится через атмосферу Земли и врезается в нашу родную планету. Вопреки распространенному мнению, во время спуска на Землю нагреваются только внешние слои метеора; ядро остается холодным во время или, может быть, даже после всего полета метеора.
Однако, когда он падает на поверхность Земли, внутреннее давление становится больше, чем любая другая естественная активность на поверхности нашей планеты, и графит сжимается в кристаллическую структуру. В отличие от алмазов, которые имеют кубическую решетку, этот материал имеет гексагональную решетку, что позволяет достигать твердости на 58% выше, чем у алмазов. Настоящий лонсдейлит мягче алмаза из-за присутствия примесей, но из метеорита, полностью состоящего из графита, наверняка получится нечто более твердое, чем любой алмаз, найденный на Земле.
Dyneema
С этого момента и далее все сделано не из натуральных материалов.
Dyneema является исключительным термопластичным полиэтиленовым полимером из-за его очень высокой молекулярной массы. Большинство молекул представляют собой цепочки атомов с несколькими тысячами атомных единиц массы (протонов и/или нейтронов). Однако СВМПЭ (сокращение от полиэтилена со сверхвысокой молекулярной массой) имеет цепи длиной в миллионы атомных единиц массы.
Полимеры с очень длинными цепями имеют значительно улучшенные межмолекулярные взаимодействия, что делает вещество чрезвычайно прочным. Он обладает наибольшей ударной вязкостью среди всех известных термопластов, что доказывает его исключительную долговечность. Он превосходит традиционные швартовные и буксирные канаты и был назван «самым прочным волокном в мире». Он в 15 раз прочнее стали того же веса, но легче воды.
Если вы ищете инженера-специалиста по изготовлению инструментов, свяжитесь с нашей командой в Australian General Engineering.
Стекло из микросплава палладия
Все физические материалы обладают двумя важными характеристиками: прочностью, или силой, которую они могут выдержать до деформации, и ударной вязкостью, или количеством энергии, необходимой для их разрушения или разрушения.
Большинство керамики прочны, но не долговечны; их можно легко сломать тисками или при коротком падении из положения стоя. Материалы с высоким модулем упругости, такие как резина, могут накапливать много энергии, но они также очень гибкие и не очень прочные.
Хрупкость является общей характеристикой стеклообразных материалов; они крепкие, но не особенно жесткие. Настолько, что даже пуленепробиваемое стекло не может сравниться с
По сравнению с другими материалами, даже Gorilla Glass и Pyrex находятся на более слабом конце диапазона прочности. В 2011 году было создано новое стекло из микросплава, содержащее пять элементов (фосфор, кремний, германий, серебро и палладий), при этом палладий обеспечивает канал для образования полос сдвига, позволяя стеклу изгибаться, а не разрушаться пластически. Из-за своей превосходной прочности и долговечности он может легко превзойти любую сталь и все, что ниже в этом списке. Обладает самой высокой твердостью по сравнению с безуглеродистыми материалами.
Buckypaper
К концу 20-го века стало общеизвестно, что углеродные нанотрубки, особый вид углерода, даже более долговечны, чем алмазы. Путем слияния атомов углерода в шестиугольники эта структура способна поддерживать жесткую цилиндрическую форму с большей стабильностью, чем любая другая известная человечеству структура. Buckypaper представляет собой тонкий лист, сделанный из углеродных нанотрубок, которые были сгруппированы вместе, чтобы сформировать макроскопический лист.
Хотя нанотрубки имеют диаметр всего 2–4 нанометра, они очень прочны и прочны. Он всего в десять раз тяжелее стали, но выдерживает в сотни раз большую силу. Он имеет потенциальное применение в исследованиях материалов, электронике, вооруженных силах и даже медицине благодаря своей неразрушимости, высокой теплопроводности и свойствам электромагнитного экранирования. Однако защитная бумага не на первом месте, поскольку она не полностью состоит из нанотрубок.
Графен
Наконец, гексагональная углеродная решетка толщиной в один атом.
Это лист графена, самый инновационный материал, который будет создан и использован до сих пор в 21 веке. Углеродные нанотрубки основаны на его фундаментальной структуре, и его использование быстро расширяется. Сейчас графен — это многомиллионный бизнес, но аналитики предсказывают, что в ближайшие несколько десятилетий он будет стоить миллиарды.
Он имеет самое высокое отношение прочности к толщине среди всех материалов, является отличным проводником тепла и электричества и практически прозрачен для света. Коммерческие возможности графена только увеличились с тех пор, как Андрей Гейм и Константин Новоселов получили Нобелевскую премию по физике в 2010 году за новаторские исследования этого материала. Графен — самое тонкое известное вещество, а шестилетний промежуток времени между открытием Гейма и Новоселова и их Нобелевской премией — один из самых коротких в истории физики.
Скорее всего, усилия по улучшению свойств материалов, таких как твердость, прочность, устойчивость к царапинам, легкость, ударная вязкость, никогда не будут завершены. Масштаб возможного будет расти, если человечество сможет раздвинуть границы возможного. материалы, находящиеся в его распоряжении, дальше, чем когда-либо прежде. Концепция микроэлектроники, транзисторов и способности изменять отдельные атомы, несомненно, была предметом научной фантастики несколько десятилетий назад. Сейчас они настолько распространены, что мы редко задумываемся о них.
Материалы, обсуждаемые здесь, становятся все более важными и распространенными по мере того, как мы устремляемся в нанотехнологическое будущее. Здорово, что мы живем в мире, где алмазы не являются самым твердым из известных веществ; научный прогресс имеет широкое положительное влияние. То, что раньше было невозможно, станет очевидным по мере развития 21 века, когда эти новые материалы будут использоваться.
Насколько сложно?
Твердость материала имеет решающее значение, поскольку она часто определяет, для чего они могут быть использованы, но, как известно, ее трудно описать. Твердость минерала к царапинам — это его способность сопротивляться царапанию другим минералом с известной твердостью.
Существует несколько методов определения твердости материала, но один из наиболее распространенных заключается в использовании инструмента для царапания его поверхности. Значение твердости рассчитывается путем деления силы, необходимой для образования вмятины, на площадь поверхности вмятины. Как правило, значение увеличивается по мере увеличения твердости материала. В рамках теста на твердость по Виккерсу для получения отпечатка используется алмазный зонд с квадратным основанием.
Для сравнения, значение твердости алмаза по Виккерсу составляет примерно 70–100 ГПа, тогда как твердость мягкой стали составляет всего около 9ГПа. Благодаря своей легендарной долговечности алмаз широко используется в качестве износостойких покрытий на режущих, сверлильных и шлифовальных инструментах, а также в качестве добавки к абразивам.
Алмаз представляет собой сложную задачу, так как он одновременно очень твердый и неожиданно хрупкий. Нагрев алмаза на воздухе до температуры выше 800 градусов по Цельсию приводит к изменению его химических характеристик, снижению его прочности и возможности реагировать с железом, что делает его непригодным для обработки стали.
Учитывая эти ограничения, исследования по производству новых химически стабильных сверхтвердых материалов ускорились. Более длительные интервалы технического обслуживания инструмента и меньшая зависимость от охлаждающих жидкостей, которые могут быть вредными для окружающей среды, являются преимуществами улучшенных износостойких покрытий для промышленного оборудования. Ученые разработали множество возможных альтернатив алмазу.
Нитрид бора
Нитрид бора, синтетическое вещество, впервые созданное в 1957 году, похоже на углерод в том, что может существовать в нескольких аллотропных формах. Его кубическая форма (c-BN) имеет ту же кристаллическую структуру, что и алмаз, но вместо атомов углерода состоит из атомов бора и азота, связанных в чередующиеся пары. c-BN обладает превосходной химической и термической стабильностью, что делает его популярным выбором в качестве сверхтвердого покрытия для станков в аэрокосмической и автомобильной отраслях.
Однако кубический нитрид бора с твердостью по Виккерсу примерно 50 ГПа может в лучшем случае претендовать на звание второго по твердости материала в мире.
Впервые была заявлена более высокая прочность на вдавливание, чем у алмаза, для его гексагональной формы (w-BN), хотя это было основано на теоретических расчетах. К сожалению, значительные количества w-BN трудно производить из-за его большой редкости в природе, поэтому экспериментальная проверка этого утверждения является сложной задачей.
Синтетический алмаз
С 1950-х годов также стали доступны синтетические алмазы, и утверждается, что их необычная кристаллическая структура делает их более прочными, чем настоящий алмаз. Структуру графита можно преобразовать в тетраэдрический алмаз, подвергнув его воздействию высокого давления и температуры, но этот процесс требует много времени и средств. Вы также можете эффективно построить его, используя атомы углерода, извлеченные из нагретых паров углеводородов, хотя этот процесс ограничен доступными материалами подложки.
Алмазы, созданные в лаборатории, являются поликристаллическими, то есть состоят из множества крошечных кристаллитов или «зерен» размером от нескольких миллиметров до нескольких нанометров.
В то время как большинство природных алмазов ювелирного качества представляют собой огромные необработанные монокристаллы, чем меньше размер зерен, тем больше границ зерен и тем тверже вещество. Согласно недавним исследованиям, некоторые синтетические алмазы имеют твердость по Виккерсу до 200 ГПа.
Q-углерод
Сообщается, что исследователи из Государственного университета открыли новый тип углерода, который тверже алмаза и отличается от предыдущих аллотропов. Алмазы микронного размера в Q-углероде были созданы путем нагревания некристаллического углерода с помощью мощного быстрого лазерного импульса до 3700 °C, а затем его быстрого охлаждения (отсюда и название).
Лабораторные испытания показали, что по сравнению с углеродом с характеристиками, сравнимыми с алмазами, Q-углерод на 60% прочнее (разновидность аморфного углерода со свойствами, подобными алмазу). Основываясь на этом, они выдвинули гипотезу о том, что Q-углерод тверже алмаза, и это утверждение еще предстоит проверить в лаборатории.
Магнитный и люминесцентный при воздействии света Q-углерод является уникальным материалом. Однако до сих пор его основное использование было в качестве ступени в производстве мельчайших синтетических алмазных частиц при температуре и давлении окружающей среды. Эти наноалмазы слишком малы, чтобы их можно было использовать в ювелирных изделиях, но они обеспечивают превосходное недорогое покрытие для лезвий и полировщиков.
Power Words
Атом — наименьшее мыслимое количество вещества. Атомы состоят из компактного ядра (состоящего из положительно заряженных протонов и нейтронов), окруженного облаком отрицательно заряженных электронов. Чтобы атом был электрически нейтрален, число протонов в ядре должно быть равно числу электронов.
Количество атомов Атомная природа и поведение определяются количеством протонов в ядре.
Углерод Химический элемент с атомным номером 6. Алмаз, графит (элемент карандашного грифеля) и уголь представляют собой различные формы элемента углерода, который является одним из самых распространенных во Вселенной.
Углерод встречается во всех формах жизни и является строительным блоком большего количества химических соединений, чем любой другой элемент.
Инструмент с алмазной наковальней, используемый учеными для воздействия на образцы экстремальным давлением. Обычно образцы помещают между двумя тонкими плоскими алмазными пластинами. Внутри образцов возможно сильное внутреннее давление из-за чрезвычайной твердости алмазов. Исследователи часто используют сжатие ячеек с алмазными наковальнями для моделирования условий, существующих глубоко внутри Земли или на других планетах, чтобы лучше понять свойства образцов минералов.
Фуллерены Молекулы углерода с вытянутыми химическими связями напоминают клетки, похожие на футбольные мячи. Названные «бакиболлами» в честь знаменитого архитектора и инженера Бакминстера Фуллера, чьи куполообразные конструкции напоминают молекулы фуллеренов, фуллерены изучались и синтезировались химиками с 19 века.85.
Эксперт по материалам Тот, кто исследует связь между атомной и молекулярной структурой материала и его общими характеристиками..png)
Ученые, специализирующиеся на материалах, могут как создавать, так и изучать существующие материалы. Материаловеды помогают инженерам и ученым выбирать лучшие материалы для своих проектов, анализируя широкий спектр качеств (таких как плотность, температура плавления и т. д.).
Молекула Мельчайшая единица химического соединения, состоящая из набора идентичных атомов, не имеющих чистого электрического заряда. Атомы, входящие в состав молекулы, могут быть одного или самых разных типов. Для сравнения, в то время как кислород воздуха состоит из двух атомов кислорода (O2), вода состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода (h3O).
Это открытие может также способствовать разработке новых стратегий разработки сверхтвердых материалов, раскрывая лежащий в основе атомистический процесс, который упрочняет определенные материалы. Использование сверхтвердых материалов, обладающих и другими желаемыми характеристиками, принесло бы большую пользу многим различным областям науки и техники.
Сверхтвердые материалы обладают не только высокой твердостью, но и другими важными свойствами. Поскольку многие сверхтвердые материалы используются в качестве инструментов для резки и сверления, а также в качестве износостойких, износостойких и коррозионно-стойких покрытий в таких различных областях, как микроэлектроника и космические исследования, термическая стабильность также является важным фактором. При высоких температурах (около 600 °C) атомы углерода в алмазе и других сверхтвердых минералах на основе углерода будут реагировать с атомами кислорода, делая материалы нестабильными. Поскольку высокотемпературные приложения требуют использования сверхтвердых материалов, важно разработать новые, термически более стабильные материалы. Кроме того, крайне желательно создать сверхтвердые материалы, которые являются проводниками или сверхпроводниками, поскольку большинство типичных сверхтвердых материалов, таких как алмаз и кубический BN, являются полупроводниками. Существует ряд записывающих устройств, которые основаны на очень жестких магнитных материалах.
Тверже алмаза? — Мир физики
Lonsdaleite
На протяжении тысячелетий алмазы считались самым твердым материалом в природе. Затем, два года назад, было показано, что композитный материал, содержащий минерал вюрцит BN, обладает такой же устойчивостью к вдавливанию, как и алмаз.
Теоретическая работа исследователей из Китая и США предполагает, что чистый вюрцит BN значительно тверже алмаза. Они также предсказывают, что лонсдейлит со структурой, тесно связанной с вюрцитом, может трансформироваться под давлением и стать на 58 % тверже алмаза, что является новым мировым рекордом (9).0127 PRL :102.05503).
Хонг Сун из Шанхайского университета и его коллеги сообщают, что сам процесс вдавливания вюрцита-BN может заставить его пройти фазовое превращение в новую кристаллическую структуру со сверхпрочностью.
Новая фаза
Твердость материала обычно принимается как мера его сопротивления внешним силам. Классический полевой тест заключается в определении относительной «твердости на вдавливание» путем измельчения двух материалов; чем сильнее отступ, тем слабее становится отступ.
Тот факт, что алмаз всегда побеждал в этих битвах, связан с его прочной и стабильной углеродной решеткой, которая чаще всего принимает форму октаэдра.
Два года назад алмаз, наконец, встретил достойного соперника, когда небольшое количество композита, содержащего малоизвестный вюрцит BN (w-BN), показало тот же уровень твердости при вдавливании, что и алмаз. Поскольку было известно, что все другие минералы в композите значительно слабее алмаза, исследователи предположили, что w-BN может обладать твердостью, превышающей твердость алмаза.
Сан и его коллеги сосредоточились на гексагональной кристаллической структуре w-BN и его реакции на нагрузку при вдавливании. Это окупилось, когда их расчеты показали, что w-BN подвергается структурному фазовому переходу при воздействии высоких давлений. Объем кристалла остался неизменным, но «переворот связи» привел к значительному увеличению сопротивления вдавливанию.
Вооружившись этим теоретическим объяснением, исследователи распространили свою теорию на родственный минерал лонсдейлит.
Они предсказывают, что этот природный материал может быть сжат в еще более прочную кристаллическую решетку, которая на 58% более устойчива к вдавливанию, чем алмаз.
Лучший друг машиниста?
Учитывая полезность алмазов для промышленной огранки, но их высокую цену, было проведено множество практических и теоретических исследований по поиску материалов, которые были бы такими же твердыми и термически стабильными, как алмаз. Согласно этому новому исследованию, лонсдейлит, безусловно, обладает прочностью, но главная проблема заключается в его дефиците в природе. «Лонсдейлит и w-BN существуют в этих метастабильных структурах, но им необходимо преодолеть очень высокие потенциальные барьеры для трансформации», — сказал Сан.
«Тепло и давление, необходимые для производства лонсдейлита, требуют энергии, связанной со столкновением метеоритов», — сказал Фил Бланд, исследователь горной механики из Имперского колледжа. Действительно, до сих пор встречающийся в природе лонсдейлит находили только в таких ударных кратерах, как Тунгуска в России и кратер Рис на юге Германии.