Содержание
Самое прочное в мире стекло царапает алмаз и проводит электричество
10 августа 2021
12:34
Наталия Теряева
Фото Unsplash.com.
Кусок «стекла» АМ-III толщиной 1 мм оставил царапину на поверхности натурального алмаза.
Фото National Science Review.
Международная команда ученых создала в Китае настолько твердое «стекло» из углерода, что оно может поцарапать поверхность алмаза.
Ученые-материаловеды из Яньшаньского университета Китая (Yanshan University) и их коллеги из других стран изобрели новый прозрачный материал необычайной прочности. Он также обладает свойствами полупроводника. Статья об этом опубликована в научном журнале National Science Review.
По сообщению издания South China Morning Post, прозрачный материал открывает некоторые захватывающие возможности в области фотоэлектроники.
Названный AM-III, новый материал имеет сходства с алмазом. И это сходство состоит в том, что и алмаз, и AM-III прозрачны, а также составлены из атомов углерода. Однако у алмаза атомы углерода расположены в виде упорядоченной структуры – кристаллической решетки. А у материала AM-III организованной структуры не наблюдается: он аморфный, как стекло и пластмассы.
Впрочем, атомы углерода в материале AM-III все же структурированы. Они упакованы в углеродные молекулы под названием фуллерены. Особенность фуллеренов в том, что каждая их молекула представляет собой многогранник, напоминающий по форме футбольный мяч.
В вершинах этого многогранника расположены атомы углерода. Сами же фуллерены в материале AM-III разбросаны в случайном беспорядке. То есть AM-III представляет собой комбинацию порядка и хаоса.
Как выяснили авторы работы, именно эта комбинация порядка с беспорядком и придает новому материалу его особенные свойства. Беспорядок обеспечивает лучшие, чем у кремния, полупроводниковые свойства, а порядок – «алмазную» твердость.
Работа над созданием нового материала была кропотливой. Нужно было довести задуманную учеными углеродную структуру до температуры 1 200° С под давлением 25 Гпа.
Однако фуллерены представляют собой очень мягкий материал. При повышении температуры и давления углеродные «футбольные мячи» дробятся и смешиваются. Поэтому исследователи увеличивали температуру и давление в экспериментальной камере постепенно, в течение 12 часов. Это позволило добиться нужной структуры AM-III. Потом химики медленно охлаждали новый материал.
Если давление и температура увеличивались слишком быстро, получался просто алмаз, без полупроводниковых свойств.
Издание South China Morning Post отмечает, что в мире разные группы ученых соревнуются между собой в сфере создания сверхтвердых материалов. При этом материал AM-III родился в результате международного сотрудничества. В эксперименте, проведенном в Китае, приняли участие ученые из России, Швеции, США и Германии.
Новый материал AM-III прозрачен, имеет желтоватый оттенок и выдерживает давление 113 ГПа при испытаниях на твердость по Виккерсу. Для сравнения, «мягкая» сталь демонстрирует твердость по Виккерсу около 9 ГПа, а природные алмазы – около 70–100 ГПа.
При испытаниях механических свойств аморфный материал АМ-III оказался способен поцарапать поверхность алмаза. Полупроводниковые свойства АМ-III выражаются в виде ширины запрещенной зоны 1,5–2 эВ и схожи с таковыми у кремния.
Сочетание выдающихся электрических и механических свойств делает AM-III привлекательным для устройств на основе фотоэлектрических технологий, которые преобразуют свет в электричество. Включая оружие, которое должно функционировать в экстремальных условиях – при высоком давлении и температуре, подчеркивает South China Morning Post.
Умелые руки ученых часто создают удивительные новые материалы. Так, ранее мы писали, что на Земле впервые была создана металлическая вода и что она оказалась золотой. А еще мы рассказывали, что ученые ННГУ создали девятислойный кремний, который в 100 раз лучше излучает свет, и что волокно изо льда согнули в дугу.
Больше интересных новостей науки вы найдёте в разделе «Наука» на медиаплатформе «Смотрим».
наука
оружие
алмаз
стекло
общество
новости
Ранее по теме
Учёные создали алмазы из пластика и выяснили, как часто идут «алмазные дожди»
Удар метеорита породил удивительный кристалл. Теперь его хотят воссоздать в лаборатории
В России разработали новый материал для космоса и авиации
Платина осталась жидкой при комнатной температуре благодаря добавке другого металла
На замену меди и алюминию в России разработали новые сверхпрочные термостойкие материалы для авиации
Из шлама и мочи: учёные предложили новый рецепт экоцемента
Найдено самое прочное вещество во Вселенной
Читати українською
Исследователи назвали самый прочный материал во Вселенной
Галина Струс
Редактор новин
Нейтронные звезды
Американским исследователям из Индианского университета в Блумингтоне удалось определись субстанцию, которая может оказаться самой прочной во Вселенной.
Обнаружили это вещество в нейтронных звездах. Из-за специфической формы исследователи назвали его «ядерной пастой».
Подпишись на наш Viber: новости, юмор и развлечения!
Подписаться
По теории ученных, этот материал образуется примерно на километр ниже поверхности нейтронной звезды: атомные ядра сжимаются так близко, что сливаются в сгустки вещества, плотную смесь нейтронов и протонов. Обычно они имеют форму капель, трубок или листов. Еще глубже в нейтронной звезде ядерная материя полностью берет верх, после чего образуется огромное атомное ядро.
В процессе компьютерного моделирования специалисты оценили силу, которую необходимо затратить для растягивания «ядерной пасты». Оказалось, что это вещество прочнее любого другого известного вещества во Вселенной. Физики все еще стремятся найти реальные доказательства существования ядерной пасты. Нейтронные звезды имеют тенденцию вращаться очень быстро, и, как следствие, могут испускать рябь в пространстве — гравитационные волны, которую мешают изучать материалы, из которых состоят звезды.
Одним из способов, которым ученые руководствуются — это опора исследования на внутренние структуры звезд, которые могут поддерживать существование гор на поверхности этих небесных тел. Из-за сильной гравитации высота гор обычно не больше нескольких сантиметров, однако «ядерная паста» может способствовать появлению более крупных неровностей высотой несколько десятков сантиметров.
Ранее сообщалось, что ученые открыли старейший континент. Карта мира для нас дело привычное – еще со школы, знаем все о климате, делении на ареалы и расположении той или иной страны. Но недавно британские ученые из Плимутского университета сделали открытие, которое по сути заставит переписать учебники.
Напомним, во льдах Антарктиды обнаружили сотни древних мумий.
Ранее портал «Знай.ua» сообщал, что во льдах Антарктиды нашли космические корабли инопланетян.
Также портал «Знай.ua» писал, что не осталось никакой надежды на спасение – прогноз ученых останавливает кровь в жилах.
Подпишись на наш Viber: новости, юмор и развлечения!
Подписаться
Популярные новости
Катя Лозовицкая рассказала о грязи на шоу «Холостяк», жалко только Топольского: «Я впервые заплакала»
Снимите, выкиньте и сожгите: эта верхняя одежда вышла из моды — все от курток-тедди до парок
Света Тарабарова рассказала про реакцию Регины Тодоренко на войну: «Наши люди такого не прощают»
Какую технику нельзя заряжать от автомобильного аккумулятора: причины и последствия ошибок
Король Чарльз III решил отмечать Рождество по новому: Меган Маркл и принц Гарри уже отказались
День Прокла 3 декабря: вытирайтесь изнанкой белья, никуда не едьте и молитесь, традиции и запреты субботы
Кто такой Перси Хайнс Уайт: все подробности о красавчике Ксавьере из «Уэнсдей» от Netflix
Без каши не останемся: в Украине обновили цены на подсолнечное масло, гречку и куриные яйца
Алекс Топольский узнает правду о девушках, а ссора Саши и Вики выйдет на новый уровень: «Она не выйдет замуж»
Выкупаемся в сахаре и осыплемся мясом: в Украине изменились цены в Ашане и Метро, перечень подешевений
Привлекают проблемы, нищету и ссоры в семье: какие 7 растений следует немедленно выбросить за дверь
Поникший Потап заговорил о Насте Каменских, украинцы заподозрили неладное: «Разошлись?»
600 тысяч гривен за «сейчас проедем»: украинским водителям выписывают новый штраф, доигрались
Самый дешевый способ обогреть дом без отопления и света: обойдется менее чем в 20 грн
Готовим велосипеды? Украинцам ответили, когда на заправках не останется бензина и солярки
Владельцев генераторов начнут штрафовать из-за законодательства: суммы достигают 500 тысяч гривен
Сладкие рогалики к чаю за считанные минуты: идеальный рецепт, когда мало времени на приготовление
83-летняя пенсионерка запретила своему 37-летнему мужу интим с ней: «Я не в такой форме, как раньше»
Украинцы больше не увидят долларов? Что будет с курсом под конец года
Читать дальше
Даже с дефектами графен является самым прочным материалом в мире
Графен остается самым прочным материалом из когда-либо измеренных и, как однажды выразился профессор Хоун, настолько прочным, что «потребуется слон, балансирующий на карандаше, чтобы пробить лист графена толщиной с Saran Wrap».
В новом исследовании, опубликованном в журнале Science 31 мая 2013 года, исследователи Columbia Engineering продемонстрировали, что графен, даже если он сшит из множества мелких кристаллических зерен, почти так же прочен, как графен в его совершенной кристаллической форме. Эта работа разрешает противоречие между теоретическим моделированием, которое предсказывало, что границы зерен могут быть прочными, и более ранними экспериментами, которые показали, что они намного слабее, чем идеальная решетка.
Графен состоит из одного атомного слоя углерода, расположенного в виде сотовой решетки. «В нашей первой статье Science , опубликованной в 2008 году, изучалась прочность графена, которой он может достичь, если он не имеет дефектов, — его собственная прочность», — говорит Джеймс Хоун, профессор машиностроения, который руководил исследованием вместе с Джеффри Кисаром, профессором машиностроения. «Но бездефектный, нетронутый графен существует только на очень небольших участках.
Листы большой площади, необходимые для приложений, должны содержать много мелких зерен, соединенных на границах зерен, и было неясно, насколько прочными были эти границы зерен. Это наша вторая 9В документе 0007 Science сообщается о прочности графеновых пленок большой площади, выращенных с использованием химического осаждения из паровой фазы (CVD), и мы рады сообщить, что графен вернулся и стал прочнее, чем когда-либо».
Исследование подтверждает, что обычно используемые методы постобработки графена, выращенного методом CVD, ослабляют границы зерен, что приводит к чрезвычайно низкой прочности, наблюдаемой в предыдущих исследованиях. Команда Columbia Engineering разработала новый процесс, который предотвращает повреждение графена во время переноса. «Мы заменили другой травитель и смогли создать тестовые образцы, не повредив графен», — отмечает ведущий автор статьи Гван-Хён Ли, научный сотрудник лаборатории Hone. «Наши результаты явно исправляют ошибочное мнение о том, что границы зерен графена слабые.
Это отличная новость, потому что графен предлагает множество возможностей как для фундаментальных научных исследований, так и для промышленных приложений».
Джеймс Хоун
Джеффри Кисар
Смотреть Профессор Джеймс Хоун проводит для нас экскурсию по своей лаборатории синтеза в здании Northwest Corner Building, где он выращивает графен и нанотрубки.
В своей совершенной кристаллической форме графен (углеродный слой толщиной в один атом) является самым прочным материалом из когда-либо измеренных, как сообщила команда инженеров Колумбийского университета в Science в 2008 году. слон, балансирующий на карандаше, чтобы пробить лист графена толщиной с саранскую пленку».
Для первого исследования команда получила небольшие структурно совершенные чешуйки графена путем механического расслоения или механического отслаивания от кристалла графита. Но расслоение — это трудоемкий процесс, который никогда не будет практичным для любого из множества потенциальных применений графена, требующих промышленного массового производства.
В настоящее время ученые могут выращивать листы графена размером с телевизионный экран, используя химическое осаждение из паровой фазы (CVD), при котором отдельные слои графена выращиваются на медных подложках в высокотемпературной печи. Одним из первых применений графена может быть проводящий слой в гибких дисплеях.
«Но CVD-графен «сшивается» вместе из множества мелких кристаллических зерен — как лоскутное одеяло — на границах зерен, которые содержат дефекты в атомной структуре», — объясняет Кисар. «Эти границы зерен могут серьезно ограничить прочность графена большой площади, если они ломаются гораздо легче, чем идеальная кристаллическая решетка, и поэтому существует большой интерес к пониманию того, насколько прочными они могут быть».
Инженерная группа Колумбийского университета хотела выяснить, что делает CVD-графен таким слабым. Изучая методы обработки, используемые для создания образцов для испытаний, они обнаружили, что химическое вещество, наиболее часто используемое для удаления медной подложки, также вызывает повреждение графена, серьезно снижая его прочность.
Их эксперименты показали, что CVD-графен с крупными зернами точно так же прочен, как расслоенный графен, показывая, что его кристаллическая решетка столь же совершенна. И, что более удивительно, их эксперименты также показали, что CVD-графен с мелкими зернами, даже при тестировании прямо на границе зерен, составляет около 90% прочнее идеального кристалла.
«Это захватывающий результат для будущего графена, потому что он предоставляет экспериментальные доказательства того, что исключительная прочность, которой он обладает в атомном масштабе, может сохраняться вплоть до образцов размером в несколько дюймов и более», — говорит Хон.
«Эта сила будет иметь неоценимое значение, поскольку ученые продолжают разрабатывать новую гибкую электронику и сверхпрочные композитные материалы».
Прочный графен с большой площадью можно использовать для самых разных применений, таких как гибкая электроника и компоненты усиления — потенциально, телевизионный экран, который сворачивается, как постер, или сверхпрочные композиты, которые могут заменить углеродное волокно. Или, как предполагают исследователи, научно-фантастическая идея космического лифта, который мог бы соединить орбитальный спутник с Землей с помощью длинного шнура, который может состоять из листов CVD-графена, поскольку графен (и его родственный материал, углеродные нанотрубки) является единственным материалом. с высоким отношением прочности к весу, необходимым для такого гипотетического применения.
Команда также увлечена изучением двумерных материалов, таких как графен. «О влиянии границ зерен в 2D-материалах известно очень мало», — добавляет Кисар.
«Наша работа показывает, что границы зерен в 2D-материалах могут быть гораздо более чувствительными к обработке, чем в 3D-материалах. Это связано с тем, что все атомы в графене являются поверхностными атомами, поэтому поверхностные повреждения, которые обычно не снижают прочность 3D-материалов, могут полностью разрушить прочность 2D-материалов. Однако при соответствующей обработке, которая позволяет избежать повреждения поверхности, границы зерен в двумерных материалах, особенно в графене, могут быть почти такими же прочными, как идеальная бездефектная структура».
Исследование было поддержано грантами Управления научных исследований ВВС и Национального научного фонда.
10 Самый прочный материал в мире
Поиск самого прочного материала в мире никогда не закончится.
Каждое устройство, которое мы используем в повседневной жизни, изготовлено из материалов, обладающих удивительными свойствами, помогающими ему функционировать. Но на самом деле не всем устройствам нужен самый прочный материал.
Когда вы думаете о самом прочном материале в мире, на ум приходят алмазы.
Но алмаз самый прочный?
Несомненно, алмаз прочный, но есть и другие материалы, которые прочнее алмаза.
Давайте посмотрим, какую позицию алмаз может занять в нашем списке 10 самых прочных материалов на сегодняшний день.
Photo by Gigi on Unsplash
В этой статье
- 10 самых прочных материалов на Земле на сегодняшний день
- 10. Стекло из сплава палладия
- 9. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ)
- 9 Limpet Teeth 8. Limpet Teeth0070
- 7. Zylon
- 6. Moissanite
- 5. Diamond
- 4. Wurtzite Boron Nitride (w-BN)
- 3. Lonsdaleite
- 2. Carbon Nanotube Paper (Bucky Paper)
- 1. Graphene
Прочность означает способность выдерживать нагрузки. Материал называется прочным, если он может выдерживать большие нагрузки без разрушения. Недавние разработки в области материаловедения представили удивительные материалы, которые имеют большое значение прочности на растяжение.
Некоторые из них очень легкие, поэтому их отношение прочности к весу очень хорошее и может превзойти кевлар и даже алмаз. Итак, вот наш список 10 самых прочных материалов.
10. Стекло из сплава палладия
Всякий раз, когда мы думаем о стекле, на ум приходит его хрупкая природа. Но это стекло из сплава палладия прочное и прочное, а также намного прочнее стали. Исследователи из Калифорнийского технологического института и Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли смогли синтезировать этот материал. Эта работа была опубликована в журнале Nature Materials в январе 2011 г.
Этот сплав обладает высокой прочностью благодаря способности экранировать трещины. Когда дефекты в аморфной структуре становятся активными под нагрузкой, они сливаются в тонкие полосы, называемые полосами сдвига. Эти полосы распространяются за счет скольжения и привносят большую вязкость разрушения.
Несмотря на то, что он прочен и имеет большой предел прочности при растяжении (TS), его использование ограничено из-за его дороговизны.
9. Полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы (СВМПЭ)
СВМПЭ — это полимерное волокно, известное под названием 9.0003 Dyneema и Spectra . Оба эти волокна являются прочными производными полиэтилена. Эти волокна прочнее, чем популярное арамидное волокно, кевлар. Они почти в 15 раз прочнее стали.
Dyneema имеет TS 3,9 гигапаскалей (ГПа) . Он обладает такой силой благодаря своему молекулярному составу, что одна молекула может содержать массу до 7,5 миллионов атомов водорода. Это позволяет им выдерживать большую нагрузку, передавая нагрузку на такую длинную цепь.
Они также устойчивы к влаге и чрезвычайно долговечны. Так, эти волокна чаще всего используются при изготовлении канатов для альпинизма, рыбалки, сетей и т. д. Благодаря высокой прочности их применяют и в доспехах.
8. Зубы блюдца
Зубы блюдца, морской улитки, изготовлены из самого прочного материала и имеют биологическое происхождение. Он состоит из минерально-белкового композита, минерала на основе железа, называемого гетитом, полученного из белка.
Этот материал почти в пять раз прочнее шелка паука и имеет TS 5 ГПа . Они используют эти зубы, чтобы проникать в камни и добывать из них пищу.
7. Zylon
Zylon представляет собой полимерный материал из жидкокристаллического полиоксазола. Этот материал имеет ТУ 5,8 ГПа . Из него изготавливают бронежилеты и веревки различного назначения. Несмотря на то, что он прочнее, он с большей вероятностью деградирует. Его срок службы составляет почти 30 месяцев, и поэтому он не так популярен, как Dyneema и кевлар в современном мире.
6. Муассанит
Муассанит представляет собой полиморф карбида кремния. Его открыл Анри Муассан, в честь которого и был назван. Он удерживается прочными ковалентными связями, которым он обязан своей прочностью. Он очень редко встречается на Земле, хотя его присутствие обнаруживается в метеоритах.
В отличие от других полиморфов карбида кремния, он прочен и используется в качестве украшений. Кроме того, он используется в режущих инструментах и экспериментах с высоким давлением в качестве замены алмазов, поскольку он немного менее прочен, чем алмазы.
Значение TS составляет 52,8 ГПа .
5. Алмаз
Алмаз является одним из аллотропов углерода. Его можно найти в природе, а синтетические алмазы можно получить и в лаборатории. Он имеет очень компактную кубическую кристаллическую структуру без свободных электронов, и каждый углерод образует четыре ковалентные связи.
Теоретически алмаз может быть прочнее любого из материалов, представленных здесь, но зарегистрированная TS алмаза составляет 60 ГПа . Это большое значение, но оно более плотное по сравнению с другими волокнами. И поэтому некоторые люди диктуют, что вышеупомянутые волокна прочнее алмазов на основе отношения прочности к весу. Но алмаз – прочный материал.
4. Вюрцит нитрид бора (w-BN)
Вюрцит нитрид бора – один из самых прочных материалов в мире. Имеет шестигранную структуру. Его теоретические TS достигает 90 ГПа , что близко к вязкой бумаге. Однако это еще предстоит доказать. Ограничения доступности w-BN затрудняют доказательство.
Между тем, он по-прежнему считается более прочным материалом, чем алмаз.
3. Лонсдейлит
Лонсдейлит, также называемый гексагональным алмазом, также является аллотропом углерода с гексагональной решеткой. Существующий лонсдейлит из метеоритов и различных месторождений алмазов демонстрирует меньшую прочность, чем алмаз, но моделирование показывает, что он может быть прочнее алмаза.
Лонсдейлит на 58% прочнее алмаза. Это делает его самым прочным материалом среди существующих в природе. Хотя когда-нибудь w-BN может оказаться самым прочным материалом из-за его теоретической вероятности.
2. Бумага из углеродных нанотрубок (Buky Paper)
Углеродные нанотрубки (УНТ) изготавливаются путем прокатки листов графена. Они очень сильны по отдельности. Когда эти трубки объединяются в бумагу, эта бумага очень прочная. Он имеет TS до 90 ГПа . Бумага из чистого УНТ, несомненно, является самым прочным материалом на Земле, ее прочность в 500 раз выше, чем у стали.
Но агрегация такого количества возможна только за счет внесения дефектов. Это снижает прочность этой бумаги.
Эту бумагу можно использовать в автомобилях, бронетехнике и космических кораблях. Его легкий вес и поразительная прочность позволяют использовать его в различных механических целях.
1. Графен
Графен представляет собой двумерный лист углерода, образующий графит. Впервые он был выделен в 2004 году в Манчестерском университете Андреем Геймом и Константином Новоселовым. За это выдающееся открытие в 2010 году они получили Нобелевскую премию.
Графен чрезвычайно прочен и является самым прочным из когда-либо известных материалов. Хотя некоторые люди утверждают, что карбин (линейный ацетиленовый углерод) является самым прочным материалом, на сегодняшний день он не был синтезирован в пригодной для использования форме. Синтезировано всего несколько тысяч атомов, так что это еще не сделано.
Графен, с другой стороны, может быть выделен и может выдерживать нагрузки до 130 ГПа .