Самый твердый материал: Топ-10 самых твёрдых материалов на Земле — FEA.RU | CompMechLab

Содержание

Учёные создали самый твёрдый материал, который может поцарапать алмаз — 15 августа 2021

Общество

Наука

15 августа 2021, 00:16

28 комментариев

Специалисты Яньшаньского университета города Циньхуандао на севере КНР при взаимодействии с китайскими и иностранными коллегами создали сверхпрочный материал. Он, в частности, способен нанести царапину на поверхность алмаза.

Как передаёт 14 августа ТАСС со ссылкой на заявление вуза, вещество имеет плотность 3,3 грамма на 1 кубический сантиметр, его твёрдость по Виккерсу составляет 113 гигапаскалей. Это углеродное соединение, полученное при высоких температурах, назвали AM-III. «Таким образом, мы имеем дело с самым твердым и прочным из всех аморфных материалов, которые когда-либо встречались науке», — подчёркивается в сообщении университета.

Разработка уже запатентована в Китае и в Японии.

По теме

  • Лекарство, которое слышишь. Ученые выяснили, что музыка Моцарта подавляет симптомы эпилепсии

    16 сентября 2021, 19:05

  • Австрийские физики создали двумерное сверхтвёрдое и сверхтекучее тело

    19 августа 2021, 17:56

УДИВЛЕНИЕ1

ПЕЧАЛЬ0

Комментарии 28

читать все комментариидобавить комментарий

ПРИСОЕДИНИТЬСЯ

Самые яркие фото и видео дня — в наших группах в социальных сетях

  • ВКонтакте
  • Телеграм
  • Яндекс.Дзен

Увидели опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter

Новости СМИ2

сообщить новость

Отправьте свою новость в редакцию, расскажите о проблеме или подкиньте тему для публикации. Сюда же загружайте ваше видео и фото.

  • Группа вконтакте

Новости компаний

Комментарии

28

Новости компаний

Вышла новая Интернет-версия системы ГАРАНТ

В Интернет-версии системы ГАРАНТ множество новинок и доработок сделали работу с правовой информацией более удобной и комфортной. Одно из новшеств — поиск по норме права. В карточку поиска по реквизитам добавлен соответствующий раздел. Инструмент позволяет находить документы, комментарии или судебную практику, упоминающие нужную норму права: главу, раздел или статью кодексов и важнейших законов. Полезной возможностью является так же пересечение норм права. Используя логические операторы «И», «Или», «Кроме» в карточке запроса, можно получить…

Интерес россиян к «Чёрной пятнице» вырос более чем в три раза

Мужчины стали больше интересоваться распродажами: их доля среди участников «Черной пятницы» за год выросла с 30 до 40%. В целом интерес россиян к традиционным распродажам увеличился, мобильный интернет-трафик в маркетплейсах и онлайн-магазинах в период акции был в 3,3 раза выше по сравнению с акцией в 2021 году. Число покупателей выросло по сравнению с прошлым годом в 3 раза. «Черная пятница» продолжает оставаться самой популярной распродажей в стране, мобильный трафик в этот период на 10% опередил результат Дня шопинга 11. 11. К таким…

Апарт-отель Kirovsky Avenir получил заключение о соответствии

Апарт-отель расположен по Кронштадтской ул., д. 9, к. 2, в 700 метрах от станции метро «Автово». В Kirovsky Avenir 473 номера, площадью от 22,6 до 36 кв.м, включая апартаменты повышенной комфортности категории Deluxe. А также три коммерческих помещения площадью от 68 кв.м. до 245 кв.м. и подземный паркинг. Строительство апарт-отеля началось в декабре 2020 г. и завершилось менее чем за два года. Kirovsky Avenir ориентирован как на размещение групп (корпоративных клиентов), так и на частных арендаторов. После ввода в техническую эксплуатацию…

ТОП 5

1

Заваруха в Петербурге. Полное видео драки «Зенита» со «Спартаком»

62 890

362

Во всем виновата «мартышка». Как врач-культурист 5 раз ударился своим носом об Илью Трабера

58 886

1473

Вылетевшая на тротуар в Москве машина оставила сиротами двух детей

57 361

114

Снежная туча накрывает Петербург. Надеемся, что вы готовы

51 530

85

Прокуратура показала кадры с места страшной аварии в Москве, где погибли мать и ребенок

47 015

28

Новости компаний

виды, классификация, характеристики, различные факты и особенности, химические и физические свойства

В своей деятельности человек использует различные качества веществ и материалов. И совсем не маловажным является их крепость и надежность. О самых твердых материалах в природе и созданных искусственно пойдет речь в этой статье.

Общепринятый эталон

Для определения прочности материала используется шкала Мооса – шкала оценки твердости материала по его реакции на царапание. Для обывателя самый твердый материал – это алмаз. Вы удивитесь, но этот минерал всего лишь где-то на 10-м месте среди самых твердых. В среднем материал считают сверхтвердым, если его показатели выше 40 ГПа. Кроме того, при выявлении самого твердого материала в мире следует учитывать и природу его происхождения. При этом крепость и прочность часто зависят от воздействия внешних факторов на него.

Самый твердый материал на Земле

В данном разделе обратим внимание на химические соединения с необычной кристаллической структурой, которые намного прочнее алмазов и вполне могут его поцарапать. Приведем топ-6 самых твердых материалов созданных человеком, начиная с наименее твердого.

  • Нитрид углерода – бора. Это достижение современной химии имеет показатель прочности 76 ГПа.
  • Графеновый аэрогель (аэрографен) – материал в 7 раз легче воздуха, восстанавливающий форму после 90 % сжатия. Удивительно прочный материал, способный к тому же впитать количество жидкости или даже масла в 900 раз больше собственного веса. Этот материал планируется использовать при разливах нефти.
  • Графен – уникальное изобретение и самый прочный материал во Вселенной. О нем ниже чуть подробнее.
  • Карбин – линейный полимер аллотропного углерода, из которого делают супертонкие (в 1 атом) и суперпрочные трубки. Долгое время никому не удавалось построить такую трубку длиною более чем 100 атомов. Но австрийским ученым из Венского Университета удалось преодолеть этот барьер. Кроме того, если раньше карбин синтезировался в малых количествах и был очень дорогой, то сегодня появилась возможность синтезировать его тоннами. Это открывает новые горизонты для космотехники и не только.
  • Эльбор (кингсонгит, кубонит, боразон) – это наноконструированное соединение, которое сегодня широко применяется в обработке металлов. Твердость – 108 ГПа.
  • Фуллерит – вот какой самый твердый материал на Земле, известный человеку сегодня. Его прочность в 310 ГПа обеспечивается тем, что он состоит не из отдельных атомов, а из молекул. Эти кристаллы с легкостью поцарапают алмаз, как нож масло.

Чудо рук человеческих

Графен – еще одно изобретение человечества на основе аллотропных модификаций углерода. С виду – тонкая пленка толщиной в один атом, но в 200 раз прочнее стали, обладающая исключительной гибкостью.

Именно о графене говорят, что, чтобы его проткнуть, на кончике карандаша должен стоять слон. При этом его электропроводность выше кремния компьютерных чипов в 100 раз. Очень скоро он покинет лаборатории и войдет в повседневную жизнь в виде солнечных панелей, сотовых телефонов и чипов современных компьютеров.

Два очень редких результата аномалий в природе

В природе встречаются очень редкие соединения, которые обладают невероятной прочностью.

  • Нитрид бора – вещество, кристаллы которого имеют специфическую вюрцитную форму. С приложением нагрузок соединения между атомами в кристаллической решетке перераспределяются, повышая прочность на 75 %. Показатель твердости – 114 ГПа. Образуется это вещество при вулканических извержениях, в природе его очень мало.
  • Лонсдейлит (на главном фото) – соединение аллотропного углерода. Материал был обнаружен в воронке метеорита, считается, что он образовался из графита под воздействием условий взрыва. Показатель твердости – 152 ГПа. В природе встречается редко.

Чудеса живой природы

Среди живых существ на нашей планете есть такие, у которых имеется что-то совершенно особенное.

  • Паутина Caerostris darwini. Нить, которую выделяет паук Дарвина, прочнее стали и тверже кевлара. Именно эта паутина была взята учеными НАСА на вооружение при разработке космических защитных костюмов.
  • Зубы моллюска Морское блюдечко – их волокнистая структура сегодня изучается бионикой. Они настолько прочные, что позволяют моллюску отодрать водоросли, вросшие в камень.

Железная береза

Еще одно чудо природы – береза Шмидта. Ее древесина – самый твердый природный материал биологического происхождения. Растет она на Дальнем Востоке в заповеднике Кедровая Падь и внесена в Красную Книгу. Прочность сравнима с железом и чугуном. Но при этом не подвержена коррозии и гниению.

Повсеместному использованию древесины березы Шмидта, которую не пробивают даже пули, препятствует ее исключительная редкость.

Самый твердый из металлов

Это металл бело-голубого цвета — хром. Но его прочность зависит от его чистоты. В природе его содержится 0,02 %, что совсем не так мало. Добывают его из силикатных горных пород. Много хрома содержат и падающие на Землю метеориты.

Он коррозионностойкий, жаропрочный и тугоплавкий. Хром входит в состав многих сплавов (хромистая сталь, нихром), которые широко используются в промышленности и в антикоррозийных декоративных покрытиях.

Вместе прочнее

Один металл – это хорошо, но в некоторых сочетаниях возможно придание сплаву удивительных свойств.

Сверхпрочный сплав титана и золота – единственный крепкий материал, который оказался биосовместимым с живыми тканями. Сплав beta-Ti3Au настолько прочный, что его невозможно измельчить в ступке. Уже сегодня ясно, что это будущее различных имплантатов, искусственных суставов и костей. Кроме того, он может быть применен в буровом производстве, изготовлении спортивного снаряжения и во многих других областях нашей жизни.

Подобными свойствами может обладать и сплав палладия, серебра и некоторых металлоидов. Над этим проектом сегодня работают ученые института Калтека.

Будущее по 20 долларов за моток

Какой самый твердый материал уже сегодня может купить любой обыватель? Всего за 20 долларов можно купить 6 метров ленты Braeön. С 2017 года она поступила в продажу от производителя Дастина Маквильямса. Химический состав и способ производства хранятся в строгом секрете, но качества ее поражают.

Лентой можно скрепить абсолютно все. Для этого ее необходимо обмотать вокруг скрепляемых деталей, разогреть обычной зажигалкой, придать пластичному составу нужную форму и все. После остывания стык выдержит нагрузку в 1 тонну.

И твердый, и мягкий

В 2017 году появилась информация о создании удивительного материала – самого твердого и самого мягкого одновременно. Этот метаматериал изобрели ученые из Университета Мичиган. Им удалось научиться управлять структурой материала и заставлять его проявлять различные свойства.

Например, при использовании его для создания автомобилей при движении кузов будет обладать жесткостью, а при столкновении – мягкостью. Кузов абсорбирует энергию соприкосновения и защитит пассажира.

Мнение

: Тверже алмаза: действительно ли ученые нашли что-то прочнее непобедимого природного материала?

Пол Коксон (Отдел материаловедения и металлургии) обсуждает материалы, каждый из которых был объявлен новым «самым твердым материалом в мире».

Спросите большинство людей, какой самый твердый материал на Земле, и они, вероятно, ответят: «Алмаз». Его название происходит от греческого слова ἀδάμας (адамас), означающего «нерушимый» или «непобедимый», и отсюда мы получаем слово «непреклонный». Твердость алмаза придает ему невероятные режущие способности, которые, наряду с его красотой, делают его востребованным на протяжении тысячелетий.

Современные ученые десятилетиями искали более дешевые, твердые и более практичные альтернативы, и каждые несколько лет появляются новости о создании нового «самого твердого материала в мире». Но действительно ли кто-то из этих претендентов на высоте?

Несмотря на свое уникальное очарование, алмаз — это просто особая форма или «аллотроп» углерода. В семействе углерода есть несколько аллотропов, включая углеродные нанотрубки, аморфный углерод, алмаз и графит. Все они состоят из атомов углерода, но типы атомных связей между ними различаются, что приводит к различным структурам и свойствам материалов.

Самая внешняя оболочка каждого атома углерода имеет четыре электрона. В алмазе эти электроны разделяются с четырьмя другими атомами углерода, образуя очень прочные химические связи, что приводит к чрезвычайно жесткому тетраэдрическому кристаллу. Именно это простое, прочно связанное устройство делает алмаз одним из самых твердых веществ на Земле.

Насколько сложно?

 

Испытательная наковальня Виккерса. R Tanaka, CC BY

 

Твердость является важным свойством материалов и часто определяет, для чего они могут быть использованы, но ее также довольно сложно определить. Для минералов твердость царапания является мерой того, насколько он устойчив к царапанию другим минералом.

Существует несколько способов измерения твердости, но обычно для создания вмятины на поверхности материала используется инструмент. Соотношение между площадью поверхности вмятины и силой, приложенной для ее создания, дает значение твердости. Чем тверже материал, тем больше значение. В тесте на твердость по Виккерсу для создания отпечатка используется алмазный наконечник в виде пирамиды с квадратным основанием.

Мягкая сталь имеет значение твердости по Виккерсу около 9 ГПа, а алмаз имеет значение твердости по Виккерсу около 70–100 ГПа. О стойкости алмаза к износу ходят легенды, и сегодня 70% мировых природных алмазов используются в износостойких покрытиях для инструментов, используемых при резке, сверлении и шлифовании, или в качестве добавок к абразивам.

Проблема с алмазом заключается в том, что, хотя он может быть очень твердым, он также удивительно нестабилен. Когда алмаз нагревается на воздухе выше 800 ℃, его химические свойства меняются, что влияет на его прочность и позволяет вступать в реакцию с железом, что делает его непригодным для обработки стали.

Эти ограничения на его использование привели к тому, что все больше внимания уделяется разработке новых химически стабильных сверхтвердых материалов в качестве замены. Улучшенные износостойкие покрытия позволяют промышленным инструментам прослужить дольше между заменой изношенных деталей и снижают потребность в охлаждающих жидкостях, потенциально опасных для окружающей среды. Ученым до сих пор удалось придумать несколько потенциальных конкурентов алмаза.

Нитрид бора

Микроскопический кристалл BN. NIMSoffice/Wikimedia Commons

 

Синтетический материал нитрид бора, впервые полученный в 1957 году, похож на углерод тем, что имеет несколько аллотропов. В своей кубической форме (c-BN) он имеет ту же кристаллическую структуру, что и алмаз, но вместо атомов углерода состоит из чередующихся атомов бора и азота. c-BN химически и термически стабилен и сегодня широко используется в качестве сверхтвердого покрытия для станков в автомобильной и аэрокосмической промышленности.

Но кубический нитрид бора в лучшем случае остается вторым самым твердым материалом в мире с твердостью по Виккерсу около 50 ГПа. Первоначально сообщалось, что его шестиугольная форма (w-BN) еще тверже, но эти результаты были основаны на теоретическом моделировании, которое предсказывало прочность на вдавливание на 18% выше, чем у алмаза. К сожалению, w-BN крайне редко встречается в природе, и его трудно производить в достаточных количествах, чтобы должным образом проверить это утверждение экспериментально.

Синтетический алмаз

 

Синтетический алмаз крупным планом. Instytut Fizyki Uniwersytet Kazimierza Wielkiego, CC BY

 

Синтетический алмаз также существует с 1950-х годов, и часто сообщается, что он тверже природного алмаза из-за его другой кристаллической структуры. Его можно получить, применяя к графиту высокое давление и температуру, чтобы заставить его структуру перестроиться в тетраэдрический алмаз, но это медленно и дорого. Другой метод состоит в том, чтобы эффективно построить его с помощью атомов углерода, взятых из нагретых углеводородных газов, но типы материалов подложки, которые вы можете использовать, ограничены.

При синтетическом производстве алмазов образуются поликристаллические камни, состоящие из агрегатов гораздо более мелких кристаллитов или «зерен» размером от нескольких микрон до нескольких нанометров. Это контрастирует с крупными монокристаллами большинства природных алмазов, используемых в ювелирных изделиях. Чем меньше размер зерна, тем больше границ зерен и тем тверже материал. Недавние исследования некоторых синтетических алмазов показали, что их твердость по Виккерсу достигает 200 ГПа.

Q-углерод

 

Q-Carbon крупным планом. Университет штата Северная Каролина

 

Совсем недавно исследователи из Университета штата Северная Каролина создали то, что они описали как новую форму углерода, отличную от других аллотропов и, как сообщается, тверже алмаза. Эта новая форма была получена путем нагревания некристаллического углерода мощным быстрым лазерным импульсом до 3700 °C с последующим его быстрым охлаждением или «закалкой» — отсюда и название «Q-углерод» — с образованием алмазов микронного размера.

Ученые обнаружили, что Q-углерод на 60% тверже, чем алмазоподобный углерод (разновидность аморфного углерода со свойствами, подобными алмазу). Это заставило их ожидать, что Q-углерод тверже самого алмаза, хотя это еще предстоит доказать экспериментально. Q-углерод также обладает необычными свойствами: быть магнитным и светиться при воздействии света. Но до сих пор его основное использование было промежуточным этапом в производстве крошечных синтетических алмазных частиц при комнатной температуре и давлении. Эти наноалмазы слишком малы для ювелирных изделий, но идеально подходят в качестве дешевого материала покрытия для режущих и полирующих инструментов.

Пол Коксон, научный сотрудник с докторской степенью, Кембриджский университет

Первоначально эта статья была опубликована на сайте The Conversation. Прочитайте оригинальную статью.

Мнения, выраженные в этой статье, принадлежат отдельным авторам и не отражают точку зрения Кембриджского университета.

Текст в этой работе находится под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 International License. Для использования изображения см. Отдельные кредиты выше.

Команда под руководством Кембриджа разрабатывает тренажер для достижения чистого нулевого полета

Недра Земли поглощают больше углерода, чем предполагалось

Бамбуковые летучие мыши… Как это?!

Growing Underground: умное фермерство в центре Лондона

Опубликовано

19 января 2016 г.

Изображение

Бриллианты

Авторы и права: Джуди ван дер Вельден

Поисковые исследования

Поиск по ключевому слову

Подпишитесь на нашу еженедельную электронную почту с исследованиями

Наша подборка самых важных новостей и статей Кембриджа за неделю отправляется прямо на ваш почтовый ящик. Введите свой адрес электронной почты, подтвердите, что вы рады получать наши электронные письма, а затем выберите «Подписаться».

 

Кембриджский университет будет использовать ваш адрес электронной почты для отправки вам нашего еженедельного электронного письма с новостями исследований. Мы стремимся защищать вашу личную информацию и обеспечивать прозрачность информации, которую мы храним. Пожалуйста, ознакомьтесь с нашим уведомлением о конфиденциальности электронной почты для получения подробной информации.

Субъекты

Люди

Места

Родственные организации

Самые твердые материалы на планете

3d Структура графеновой трубки

  • Графен — самый твердый искусственный материал, в 200 раз прочнее стали.

    • Алмазы

  • — это самый прочный материал, который мы можем найти в природе, его прочность составляет от 70 до 150 ГПа по тесту на твердость по Виккерсу.
  • Кевлар — это материал, который часто использовался для замены классических стальных дисков в гоночных автомобилях, потому что он намного легче и прочнее.

Люди нашли в природе множество различных ресурсов, которые затем использовались для создания укрытий, инструментов, транспортных средств, ракет или украшений. Продукты, которые вы покупаете, особенно если они попадают в категорию «технических», часто оцениваются по тому, насколько хорошо они сделаны, насколько они прочны и насколько долгосрочное использование влияет на физическую целостность предметов. Если вы хотите что-то упругое, вам нужен твердый материал, и вот что придумали люди.

Что такое твердые материалы?

Прежде всего, давайте быстро объясним, что мы обсуждаем, когда говорим о твердости конкретного материала.

Проще говоря, мы имеем в виду прочность конкретного материала, чтобы выдерживать различные степени внешней силы, которая нагружает материал. Сверхтвердые материалы измеряются по шкале, известной как испытание на твердость по Виккерсу. Единица, которая выражает, какое давление может выдержать предмет, прежде чем он сломается, называется гигапаскалем (ГПа). Например, самый прочный природный материал, который мы знаем, — это алмазы, и их давление составляет от 70 до 150 ГПа. Все, что превышает 40 ГПа, считается сверхтвердым материалом.

1.

Графен

Молекулярная сетка графена.

Первая запись в нашем списке — это материал, который, по прогнозам, окажет огромное влияние на аэрокосмическую промышленность и производство автомобилей. Однако с момента его открытия в 2010 году он еще не использовался вне экспериментальных приложений, в основном в космических испытаниях, которые показали чрезвычайно многообещающие результаты. Он в 200 раз мощнее стали и в 1000 раз легче бумаги. Графен состоит всего из одного слоя атомов углерода, расположенных в форме треугольной решетки. Он чрезвычайно гибкий, и то, как его атомы углерода связаны друг с другом, делает его не только чрезвычайно прочным, но и очень проводящим электричество и тепло. По сравнению с медью ленты, состоящие из связанных листов графена, имеют 10 процентов массы и вдвое большую теплопроводность. Хотя инсайдеры уверены, что в ближайшие несколько лет мы, наконец, увидим автомобили, самолеты и многие электронные устройства, использующие технологию на основе графена, по-прежнему остается проблема производства ее в больших количествах.

2. Углеродное волокно

Черный карбоновый композит.

Углеродное волокно представляет собой форму волокна, состоящего в основном из атомов углерода, расположенных в виде шестиугольника. Эти волокна имеют диаметр около 5-10 микрометров. Основное различие между графеном и углеродным волокном заключается в том, что размер графена представляет собой толщину слоя одного атома углерода гораздо меньшего диаметра. Особенности углеродного волокна, которые делают его отличным выбором для изготовления военной техники, ракет и деталей спортивных автомобилей, — это высокая жесткость и очень малый вес. Углеродное волокно также может выдерживать очень высокие температуры и обладает высокой устойчивостью к ряду различных абразивных химикатов.

3.

Кевлар

Кевлар в пять раз мощнее стали, когда речь идет о напряжении, которое он может выдержать.

Еще одним твердым материалом, который был адаптирован в автомобильной и военной промышленности, был кевлар. Кевлар в пять раз мощнее стали, когда речь идет о напряжении, которое он может выдержать. Поэтому из него до сих пор делают бронежилеты: он очень твердый, да еще сверхлегкий материал.

4.

Алмазы

Алмазы — самый прочный материал, который мы можем найти в природе.

Вы, вероятно, ожидали увидеть алмазы во главе этого списка, но искусственные материалы намного прочнее самого твердого минерала, который мы можем найти на Земле. Алмазы до сих пор, несмотря на редкость и очень высокую цену, до сих пор используются во многих отраслях промышленности. Некоторые особые сорта голубых алмазов особенно хорошо действуют как изоляторы и электрические (полу)проводники.

5.