Содержание
Самый твердый металл в мире, какой наиболее твердый на Земле
В мире есть много одинаковых по показателям твёрдости металлов, но не все они широко используются в промышленности. Причин тому может быть несколько: редкость и потому дороговизна или же радиоактивность, которая препятствует использованию в человеческих нуждах. Среди самых твёрдых металлов можно выделить 6 лидеров, покоривших мир своими особенностями.
Твёрдость металлов принято измерять по шкале Мооса. В основе метода измерения твёрдости – оценка устойчивости к царапинам другими металлами. Таким образом, было определено, что наивысшей твёрдостью обладают уран и вольфрам. Однако есть металлы, которые больше используются в разных сферах жизни, хоть их твердость и не наивысшая по шкале Мооса. Поэтому, раскрывая тему о самых твёрдых металлах, неправильно будет не упомянуть об известном титане, хроме, осмии и иридии.
Титан
На вопрос, какой самый твёрдый металл, любой человек, изучающий химию и физику в школе, ответит: «Титан».
Конечно, существуют сплавы и даже самородки в чистом виде, которые превосходят его по прочности. Но среди используемых в быту и производстве титану нет равных.
Чистый титан впервые был получен в 1925 году и тогда же был объявлен самым твёрдым металлом на Земле. Его сразу стали активно использовать в абсолютно разных сферах производства – от деталей ракет и воздушного транспорта до зубных имплантатов. Заслугой такой популярности металла стали несколько его главных свойств: высокая механическая прочность, стойкость к коррозиям и высоким температурам и низкая плотность. По шкале твёрдости металлов Мооса титан обладает степенью 4.5, что не является самым высоким показателем. Однако его популярность и задействованность в различных отраслях делает его первым по твёрдости среди часто используемых.
Титан самый твёрдый среди часто используемых в производстве металлов
Детальнее про применение титана в промышленности. Данный метал имеет широкий спектр использования:
Еще советуем:Самый активный металл
- Авиационная промышленность – детали планерной части самолётов, газовые турбины, обшивки, силовые элементы, детали шасси, заклёпки и т.
д; - Космическая техника – обшивки, детали;
- Кораблестроение – обшивка судов, детали насосов и трубопроводов, навигационные приборы, турбинные двигатели, паровые котлы;
- Машиностроение – конденсаторы турбин, трубы, износостойкие элементы;
- Нефтегазовая промышленность – трубы для бурения, насосы, сосуды высокого давления;
- Автостроение – в механизмах клапанов и выхлопных систем, передаточных валов, болтов, пружин;
- Строительство – наружная и внутренняя обшивка зданий, кровельные материалы, лёгкие крепежные приспособления и даже памятники;
- Медицина – хирургические инструменты, протезы, имплантаты, корпусы для кардиологических приборов;
- Спорт – спортивный инвентарь, туристические принадлежности, детали для велосипедов.
- Товары народного потребления – ювелирные украшения, декоративные изделия, садовой инвентарь, наручные часы, кухонная утварь, корпуса электроники и даже колокола, а также добавляют в состав красок, белил, пластика и бумаги.
д;
Можно увидеть, что титан востребован в абсолютно разных сферах промышленности за счет его физико-химических свойств. Пусть он и не самый твёрдый металл в мире по шкале Мооса, изделия из него куда прочнее и легче стали, меньше изнашиваются и более стойкие к раздражителям.
Титан считается самым твердым среди активно потребляемых металлов
Хром
Самым твёрдым в своем натуральном виде считается металл голубовато-белого цвета – хром. Он был открыт еще в конце 18 века и с тех пор широко используется в производстве. По шкале Мооса твёрдость хрома составляет 5. И не зря – им можно резать стекло, а при соединении с железом он способен резать даже металл. Также хром активно применяется в металлургии – его добавляют в сталь, чтобы улучшить ее физические свойства. Спектр использования хрома весьма разнообразен. Из него изготавливают стволы огнестрельного оружия, медицинское и химическое технологическое оборудование, бытовые принадлежности – кухонная утварь, металлические части мебели и даже корпусы подводных лодок.
Наивысшая твёрдость в чистом виде — хром
Хром используют в различных сферах, например, для производства нержавеющей стали, или для покрытия поверхностей – хромирования (техника, автомобили, детали, посуда). Часто этот метал используют при изготовлении стволов огнестрельного оружия. Также нередко этот металл можно встретить при производстве красителей и пигментов. Удивительным может показаться еще одна сфера его использования – это производство диетических добавок, а в создании технологического оборудования для химических и медицинских лабораторий без хрома никак нельзя обойтись.
Осмий и иридий
Осмий и иридий – представители металлов платиновой группы, имеют почти одинаковую плотность. В своем чистом виде в природе встречаются невероятно редко, а чаще всего – в сплаве друг с другом. Иридий по природе своей обладает высокой твердостью, из-за чего плохо поддается металлообработке, как механической, так и химической.
Осмий и иридий обладают наивысшей плотностью
Активно применять иридий в промышленности стали сравнительно недавно.
Раньше его использовали с осторожностью, поскольку его физико-химические характеристики были изучены не до конца. Теперь иридий используют даже в изготовлении ювелирных изделий (в качестве инкрустаций или в сплаве с платиной), хирургических инструментов и деталей для сердечных стимуляторов. В медицине металл просто незаменим: его биопрепараты могут помочь побороть онкологию, а облучение его радиоактивным изотопом может остановить процесс роста раковых клеток.
Две трети добываемого в мире иридия уходит в химическую промышленность, а остальное распределяется между другими отраслями производства – напыления в металлургической индустрии, товарах народного использования (элементы перьевых ручек, ювелирные изделия), медицине при производстве электродов, элементов кардиостимуляторов и хирургических инструментов, а также для улучшения физико-химических и механических свойств металлов.
Твёрдость иридия по шкале Мосса – 5
Осмий – серебристо-белый металл с голубоватым отливом.
Он был открыт позже иридия на год, а сейчас его нередко находят в железных метеоритах. Помимо высокой твёрдости, осмий отличается своей дороговизной – 1 грамм чистого металла оценивается в 10 тысяч долларов. Еще одной его особенностью считается его вес – 1 литр расплавленного осмия равен 10 литрам воды. Правда, ученые еще не нашли применения этому свойству.
Из-за редкости и высокой стоимости осмий задействуется только там, где никакой другой металл не может быть использован. Широкого применения ему так и не нашли, да и нет смысла в поисках, пока поставки металла не станут регулярными. Сейчас осмий используется для изготовления инструментов, требующих высокой точности. Изделия из него почти не изнашиваются и обладают значительной прочностью.
Показатель твёрдости осмия достигает 5.5
Уран
Один из наиболее знаменитых элементов, который является одним из самых твёрдых металлов в мире, – уран. Это металл светло-серого цвета, обладающий слабой радиоактивностью.
Уран считается одним из самых тяжелых металлов – его удельный вес в 19 раз превышает вес воды. Он также обладает относительной пластичностью, ковкостью и гибкостью, парамагнитными свойствами. По шкале Мосса твёрдость металла составляет 6, что считается очень высоким показателем.
Раньше уран почти не использовался, а встречался только как рудный отход при добыче других металлов – радия и ванадия. На сегодняшний день уран добывается в месторождениях, основными источниками являются Скалистые горы США, Республика Конго, Канада и Южно-Африканский Союз.
Несмотря на радиоактивность, уран активно потребляется человечеством. Наиболее востребован в атомной энергетике – его используют как топливо для ядерных реакторов. Также уран применяется в химической промышленности и в геологии – для определения возраста горных пород.
Не пропустила невероятные показатели удельного веса и военная инженерия. Уран регулярно используется для создания сердечников бронебойных снарядов, которые, за счет высокой прочности, отлично справляются с поставленной задачей.
Уран является самым твёрдым металлом, но он радиоактивный
Вольфрам
Увенчивает наш список самых твёрдых металлов на Земле блестящий серебристо-серый вольфрам. По шкале Мооса твердость вольфрама равна 6, как и у урана, но, в отличие от последнего, он не является радиоактивным. Природная твёрдость, однако, не лишает его гибкости, потому вольфрам идеально подходит для ковки разных металлических изделий, а его устойчивость к высоким температурам позволяет применять его в осветительных приборах и электронике. Потребление вольфрама не достигает больших оборотов, и главной тому причиной является его ограниченное количество в месторождениях.
Благодаря высоким показателям плотности вольфрам широко используется в оружестроении для производства тяжеловесов и артиллерийских снарядов. Вообще вольфрам активно используется в военной инженерии – пули, противовесы, баллистические ракеты. Следующим по популярности использования этого метала является авиация.
Из него изготавливают двигатели, детали электровакуумных приборов. В строительстве используют режущие инструменты из вольфрама. Также он является незаменимым элементом при производстве лаков и светоустойчивых красок, огнестойких и водонепроницаемых тканей.
Вольфрам считается наиболее тугоплавким и прочным
Изучив свойства и сферы потребления каждого металла, сложно однозначно сказать, какой же самый твердый металл в мире, если брать во внимание не только показатели шкалы Мооса. Каждый из представителей имеет ряд преимуществ. Например, титан, не обладающий сверхвысокой твердостью, прочно занял первое место среди самых используемых металлов. А вот уран, твердость которого достигает наивысшей отметки среди металлов, не так популярен из-за слабой радиоактивности. А вольфрам, который не излучает радиации и имеет наивысшую прочность и очень хорошие показатели податливости, не может быть активно использован из-за ограниченных ресурсов.
youtube.com/embed/HE07L-uRzFc» frameborder=»0″ allowfullscreen=»»>
Какой материал на Земле самый прочный?
Если вы любите комиксы (и фильмы) Marvel, то знаете, что во вселенной, созданной Стэном Ли, самым прочным материалом на Земле является металл вибраниум. Из него, в частности, сделан щит Капитана Америки и костюм черной пантеры, в родной стране которого – Ваканде – он и был найден. В комиксах этот материал существует в нескольких вариантах и встречается в изолированных регионах нашей планеты. Также вибраниум обладает способностью поглощать все колебания в окрестности, включая направленную прямо на него кинетическую энергию (энергию движущегося тела).
Кстати, рука Зимнего солдата тоже сделана из вибраниума
В реальности, разумеется, вибраниума не существует, но это не значит, что на Земле нет ни одного материала, способного составить ему конкуренцию. Но какой материал на нашей планете является самым прочным?
От автомобиля до некоторых электронных приборов в вашем доме – как в природе, так и в лаборатории – современный мир наполнен впечатляющими материалами.
Более того, ученые постоянно ищут новые материалы, которые можно было бы использовать в повседневной жизни, в лабораториях и даже в космосе. Но измерение прочности материала – не равносильно измерению твердости. Можно подумать, что эти два слова являются синонимами, но для опытного специалиста это далеко не одно и то же.
Прочность материала определяет его устойчивость к деформации, в то время как твердость позволяет узнать легко ли поцарапать материал.
Природный муассанит – очень красивый минерал
Карбид кремния – это неорганическое химическое соединение кремния и углерода. В природе карбид кремния можно найти в чрезвычайно редко встречающемся минерале муассаните. Муассанит в природе можно найти в некоторых типах метеоритов, а также в месторождениях кимберлита и корунда. Материал используется как имитирующий алмазные вставки в ювелирных украшениях, однако чаще всего карбид кремния используют в автомобильной промышленности, электрических и астрономических приборах.
Важно понимать, что практически любой карбид кремния, который используется в промышленности, является синтетическим.Природный муассанит впервые был обнаружен в 1893 году Фердинандом Анри Муассаном в виде шестиугольных пластинчатых включений в метеорите Каньон Диабло в Аризоне. Свое название минерал обрел в 1905 году. Несмотря на то, что на Земле карбид кремния невероятно сложно обнаружить, он широко распространен в космосе. Так, муассанит присутствует в газовых облаках вокруг звезд, богатых углеродом, а также в первозданных метеоритах.
Металл получил своё название в честь титанов, персонажей древнегреческой мифологии, детей Геи
Титановые сплавы – это сплавы, основным компонентом которых является титан (легкий прочный металл серебристого цвета). Титановые сплавы используются во многих отраслях промышленности, включая спортивные автомобили, коммерческие самолеты и ракеты. Титановые сплавы очень устойчивы к коррозии.
Однако из-за дороговизны производства эти материалы используются только в высокотехнологичных отраслях промышленности. По распространенности на Земле титан находится на 10-м месте, содержится в земной коре — 0,57% по массе и в морской воде — 0,001 мг/л. В земной коре титан почти всегда присутствует только в кислородных соединениях. В свободном виде не встречается. В крупных коренных месторождениях титан встречается в России, США, Казахстане, Китае, Норвегии, Швеции и др.Несмотря на свои удивительные свойства, наткнуться на паутину и особенно в лесу максимально неприятно
На самом деле паучий шелк – один из самых прочных природных материалов на нашей планете. Как вы, вероятно, знаете, пауки используют паутину, чтобы поймать добычу и защитить потомство. Хотя прочность паучьего шелка варьируется от вида к виду, паучий шелк почти так же прочен, как высококачественная сталь. Согласитесь, это довольно серьезно.
Вот почему человек-паук из небезызвестной вымышленной вселенной способен так лихо и с пользой использовать паучий шелк. Возможно, в будущем паучий шелк будут использовать в качестве мышц для роботов.Так выглядят бриллианты до того, как их дарят своим возлюбленным
Алмаз является самым твердым известным природным минералом, который когда-либо находили на нашей планете. Еще одним удивительным свойством этого природного минерала является его способность к неограниченному по длительности существованию. Необходимо отметить, что алмаз – это редкий, но вместе с тем довольно широко распространенный минерал. Промышленные месторождения алмазов встречаются на всех континентах, кроме Антарктиды. Благодаря различному количеству цветов, алмазы используются в широком спектре отраслей промышленности, включая производство. При этом, несмотря на свою твердость, алмаз очень легко поцарапать – но только другим алмазом. О происхождении и возрасте алмазов до сих пор нет точных научных данных, хотя согласно результатам некоторых исследований, его возраст может варьироваться от 100 миллионов до 2,5 миллиардов лет.
Более того, известны метеоритные алмазы внеземного происхождения, так как этот самый твердый природный минерал на Земле также образуется при ударе во время падения крупных метеоритов на нашу планету. Однако наиболее удивительное свойство алмаз принимает после того, как ученые помещают его в вакуум или оставляют под воздействием инертного газа – при повышенных температурах этот минерал постепенно переходит в графит.
Графен – самый тонкий и прочный материал, известный человеку
Графен – самый прочный материал, известный человеку. Будучи прозрачным, графен состоит из однослойного атома углерода, расположенного в треугольной решетке и является основным структурным элементом древесного угля, графита и углеродных нанотрубок. По своей прочности графен в 200 раз превосходит сталь. Многообразие химических и физических свойств этого самого прочного материала на Земле обусловлено кристаллической структурой и химической связью атомов углерода, которые и составляют графен.
Используют этот поражающий воображение материал в аэрокосмической и автомобильной промышленности. Конечно графен – не вибраниум, однако вполне способен составить ему конкуренцию, учитывая, что в будущем с помощью графена ученые наверняка совершат огромное количество самых разных открытий. Так, с помощью этого сверхпрочного и тонкого материала ученые смогут восстанавливать сломанные кости и даже предотвращать переломы.Любовь Соковикова
25 самых прочных материалов, известных человеку
Знаете ли вы, какой самый прочный материал на Земле? Вы, наверное, угадали бриллиант? Что ж, в каком-то смысле вы правы. Его обычно называют самым твердым природным веществом на Земле. Но, как и в большинстве случаев, этот ответ сильно упрощен. Во-первых, твердость (и прочность) не является единым свойством. Материалы могут быть очень прочными в одном отношении, но не в другом. Некоторые лучше сопротивляются царапинам, в то время как другие лучше поглощают силу. А еще есть новые синтетические материалы, сочетающие в себе многие из этих свойств.
Итак, давайте перейдем к делу, это 25 самых прочных материалов, известных человеку!
Источник: geology.com; http://www.yalescientific.org/2010/04/everyday-qa-how-can-you-cut-a-diamond/
Это классика. Конечно, имейте в виду, что в данном случае под твердостью понимается «стойкость к царапинам». По шкале Мооса (качественная шкала, которая измеряет сопротивление различных минералов) алмаз имеет 10 баллов (шкала идет от 1 до 10, где 10 соответствует самой твердости). Алмаз настолько тверд, что для его огранки приходится использовать другие алмазы.
Источник: npr.org, bbc.com
Часто называемая самым прочным биологическим веществом в мире (хотя это утверждение сейчас оспаривается другим биологическим материалом), паутина дарвиновской коры паука прочнее стали и прочнее кевлара. Столь же примечателен его вес. Нить, достаточно длинная, чтобы охватить диаметр Земли, будет весить всего полкилограмма.
Источник: gizmodo.com; Extremetech.com
Этот синтетический пеноматериал является одним из самых легких конструкционных материалов в мире. Он примерно в 75 раз легче пенопласта (но намного прочнее!). Этот материал может быть сжат в 30 раз от исходного размера без какого-либо повреждения его структуры. Другой взгляд на это: аэрографит может нести до 40 000 раз больше собственного веса.
Источник: popsci.com
Это вещество, разработанное учеными из Калифорнии, обладает практически идеальным сочетанием прочности и прочности. Причина этого в том, что его химическая структура противодействует хрупкости стекла, но при этом сохраняет его прочность.
Источник: vtc.edu
Карбид вольфрама невероятно твердый и имеет действительно хороший предел текучести, но он довольно хрупок, когда его сгибают или ломают.
Источник: britannica.
com; britannica.com
Это основной материал, используемый в боевых танках. На самом деле, он используется почти во всем, что отклоняет пули, шлифует или преломляет. Он имеет рейтинг устойчивости по шкале Мооса 9, а также имеет низкое тепловое расширение.
Источник: arstechnica.com
Кубический нитрид бора, примерно такой же прочный, как алмаз, имеет одно важное преимущество: он не растворяется в никеле и железе при высоких температурах. По этой причине его можно использовать для обработки этих элементов (алмаз образует нитриды с железом и никелем при высоких температурах).
Источник: howstuffworks.com
Утверждается, что это самое прочное волокно в мире. Возможно, самое удивительное в нем то, что, несмотря на то, что оно легче воды, оно может останавливать пули!
Источник: sciencedirect.com
Титановые сплавы чрезвычайно гибки и имеют действительно высокую прочность на растяжение, но не так тверды, как стальные сплавы.
Источник: gixmodo.com
Это вещество, разработанное в Калифорнийском технологическом институте, обладает очень хорошей прочностью. По сути, это мастер на все руки, но мастер ни в чем. Он имеет высокие уровни твердости, прочности на растяжение и сопротивления усталости.
Источник: gizmodo.com; azonano.com
Этот новый чудо-материал, изготовленный из древесной массы, прочнее стали! Это также дешевле. Фактически, наноцеллюлоза считается менее дорогой альтернативой стеклу и углеродному волокну.
Источник: bbc.com
Ранее мы упоминали, что паутина дарвиновского паука является одним из самых прочных биологических материалов на Земле. Однако зубы блюдечек оказались даже прочнее паутины. Зубы блюдечек (водных улиток) чрезвычайно прочны. Они должны быть, потому что они используются для удаления водорослей с каменных поверхностей. Ученые считают, что в будущем мы сможем скопировать волокнистую структуру зубов блюдечек и использовать ее в автомобилях, лодках и даже самолетах.
Источник: dtic.mil
Это вещество сочетает в себе исключительную прочность и ударную вязкость без потери пластичности. Он находит множество применений в аэрокосмической и инструментальной промышленности.
Источник: britannica.com
Чрезвычайно плотный элемент, осмий, используется для вещей, требующих высокого уровня прочности и твердости (электрические контакты, перьевые ручки и т. д.).
Источник: howstuffworks.com; Scienceabc.com
Кевлар, используемый во всем, от барабанных пластиков до пуленепробиваемых жилетов, является почти синонимом твердости. Кевлар — это тип пластика, обладающий чрезвычайно высокой прочностью на растяжение. Фактически, его прочность на растяжение примерно в 8 раз больше, чем у стальной проволоки! Он также может выдерживать температуры около 450 ℃.
Источник: bbc.com; warickmills.com
Полиэтилен с высокими эксплуатационными характеристиками — это действительно прочный пластик.
Эта легкая, прочная нить может выдерживать невероятное натяжение и в десять раз прочнее стали (фунт на фунт). Подобно кевлару, Spectra также используется для баллистически стойких жилетов, шлемов и бронированных транспортных средств.
Источник: cnn.com
Будучи аллотропом углерода, лист толщиной в один атом в 200 раз прочнее стали. Хотя это выглядит как обертка из сарана… удачи в преодолении этого. Чтобы проделать дырку в листе, вам придется балансировать школьным автобусом поверх карандаша поверх графена!
Источник: usatoday.com
Эта нанотехнология состоит из углеродных трубок, которые в 50 000 раз тоньше человеческого волоса. Это объясняет, почему он в 10 раз легче стали, но в 500 раз прочнее.
Источник: sciencemag.org; dailymail.co.uk
Самый легкий в мире металл, металлическая микрорешетка также является одним из самых легких конструкционных материалов на Земле.
Некоторые утверждают, что он в 100 раз легче пенопласта! Как синтетический и пористый, но чрезвычайно прочный материал, он находит применение во многих областях техники. Boeing упомянул об использовании его при изготовлении самолетов, в основном в полах, каркасах сидений и стенах.
Источник: sciencedaily.com; nanocomptech.com
Углеродные нанотрубки (УНТ) — это, говоря простым языком, «бесшовные цилиндрические полые волокна», состоящие из одного листа чистого графита. В результате получается чрезвычайно легкий материал. В наномасштабе углеродные нанотрубки обладают прочностью, в 200 раз превышающей прочность стали.
Источник: gizmodo.com; xtremtech.com
Также известный как графеновый аэрогель, представьте себе прочность графена в сочетании с невообразимой легкостью. Вы не можете себе это представить, не так ли? Что ж, давайте сделаем его еще более невообразимым… он в 7 раз легче воздуха! Этот невероятный материал может полностью восстановиться после более чем 90% сжатия и может поглощать до 900 раз больше собственного веса масла.
Есть надежда, что этот материал можно будет использовать для ликвидации разливов нефти.
Источник: mit.edu
На момент написания этой статьи ученые из Массачусетского технологического института считают, что нашли секрет максимизации двухмерной прочности графена в трех измерениях. Их пока еще неназванное вещество может иметь примерно 5% плотности стали, но в 10 раз больше прочности.
Источник: gizmodo.com
Несмотря на то, что карбин представляет собой всего лишь одну цепочку атомов, его прочность на растяжение в два раза выше, чем у графена, и в три раза больше, чем у алмаза.
Источник: arstechnica.com
Это природное вещество образуется под действием вулканических взрывов и на 18% тверже алмаза. Это одно из двух встречающихся в природе веществ, твердость которых, как недавно было обнаружено, превосходит алмазы. Проблема в том, что этого вещества не так много, и его трудно проверить.
Источник: newscientist.com
Это вещество, также известное как гексагональный алмаз, также состоит из атомов углерода, но они просто расположены по-другому. Наряду с вюрцитным нитридом бора это одно из двух природных веществ, которые тверже алмаза. На самом деле, это на 58% сложнее! Однако, как и в случае с предыдущим веществом, его относительно мало. Иногда он образуется, когда метеориты, содержащие графит, ударяются о Землю.
Списки становятся вирусными прямо сейчас
Рекомендуемое изображение: pixabay (общественное достояние)
25-24. pixabay (общественное достояние), 23. BrokenSphere, арахис из пенополистирола, CC BY-SA 3.0, 22–21. pixabay (общественное достояние), 20. Tiia Monto, Museum Mensch und Natur — карбид кремния, CC BY-SA 4.0, 19. wikimedia commons (общественное достояние), 18. Justsail, LIROS Dyneema Hole, CC BY-SA 3.0, 17. Alchemist-hp (pse-mendelejew.de), Titan-crystal bar, CC BY-SA 3. 0 DE, 16-13. pixabay (общественное достояние), 12. Periodictableru www.periodictable.ru, Osmium cluster, CC BY 3.0, 11. wikimedia commons (общественное достояние), 10. © Tomas Castelazo, www.tomascastelazo.com / Wikimedia Commons / CC BY-SA 3.0, Установка трубы из полиэтилена высокой плотности, CC BY-SA 3.0, 9-7. pixabay (общественное достояние), 6. Пользователь Mstroeck в en.wikipedia, Типы углеродных нанотрубок, CC BY-SA 3.0, 5. wikimedia commons (общественное достояние), 4. pixabay (общественное достояние), 3. Smokefoot, IBIVAQ (= код CSD), CC BY-SA 4.0, 2-1. pixabay (общественное достояние)
Список25 Ежедневно
Список25 Еженедельно
Графен прочный, но крепкий ли он?
Графен, материал, состоящий из одного слоя атомов углерода, рекламируется как самый прочный из известных материалов, в 200 раз прочнее стали, легче бумаги и с исключительными механическими и электрическими свойствами. Но сможет ли он выполнить свое обещание?
Ученые Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли Министерства энергетики США (Berkeley Lab) разработали первую известную статистическую теорию ударной вязкости поликристаллического графена, полученного методом химического осаждения из паровой фазы, и обнаружили, что он действительно прочный (хотя и не такой прочный).
прочный, как нетронутый монокристаллический графен), но, что более важно, его ударная вязкость — или сопротивление разрушению — довольно низкая. Их исследование «Прочность и прочность нанокристаллического графена» было опубликовано недавно в Связь с природой .
Поликристаллический графен содержит характерные наноразмерные линейные и точечные дефекты, которые приводят к значительным статистическим колебаниям ударной вязкости и прочности. (Источник: лаборатория Беркли)
«Этот материал, безусловно, обладает очень высокой прочностью, но имеет особенно низкую ударную вязкость — ниже, чем у алмаза, и немного выше, чем у чистого графита», — сказал ученый из лаборатории Беркли Роберт Ритчи. «Его чрезвычайно высокая прочность очень впечатляет, но мы не обязательно можем использовать эту прочность, если он не обладает сопротивлением разрушению».
Ричи, старший научный сотрудник отдела материаловедения лаборатории Беркли и ведущий эксперт по причинам разрушения материалов, был соавтором исследования вместе с Ашивни Шехават, научным сотрудником Миллера в его группе.
Вместе они разработали статистическую модель прочности поликристаллического графена, чтобы лучше понять и предсказать разрушение материала.
«Это математическая модель, учитывающая наноструктуру материала, — сказал Ричи. «Мы обнаружили, что прочность в определенной степени зависит от размера зерна, но самое главное — это модель, которая определяет сопротивление графена разрушению».
Прочность, сопротивление материала разрушению, и прочность, сопротивление материала деформации, часто являются взаимно несовместимыми свойствами. «Конструкционный материал должен обладать прочностью, — объяснил Ричи. «Мы просто не используем прочные материалы в критических конструкциях — мы стараемся использовать прочные материалы. Если вы посмотрите на такую конструкцию, как корпус высокого давления ядерного реактора, то увидите, что она сделана из относительно низкопрочной стали, а не из сверхвысокопрочной. Самые твердые стали используются для изготовления таких инструментов, как головка молотка, но вы никогда не будете использовать их для изготовления критически важной конструкции из-за страха катастрофического разрушения».
Как отмечают авторы в своей статье, многие из передовых приложений, для которых был предложен графен, такие как гибкие электронные дисплеи, антикоррозионные покрытия и биологические устройства, неявно зависят от его механических свойств для структурной надежности.
Хотя чистый монокристаллический графен может иметь меньше дефектов, авторы изучили поликристаллический графен, поскольку он дешевле и обычно синтезируется методом химического осаждения из паровой фазы. Ритчи известно только об одном экспериментальном измерении прочности материала.
«Наши цифры совпали с этим экспериментальным номером», — сказал он. «На практике эти результаты означают, что футбольный мяч можно разместить на одном листе монокристаллического графена, не сломав его. Какой объект может поддерживаться соответствующим листом поликристаллического графена? Оказывается, футбольный мяч слишком тяжел, а поликристаллический графен может выдержать только мячик для пинг-понга. Все еще замечательно для материала толщиной в один атом, но уже не так захватывающе».