Oma tegevuses kasutab inimene erineva kvaliteediga aineid ja materjale. Ja tähtsusetu pole ka nende tugevus ja usaldusväärsus. Selles artiklis käsitletakse kõige kõvemaid materjale looduses ja kunstlikult loodud materjale.
Üldine standard
Materjali tugevuse määramiseks kasutatakse Mohsi skaalat – skaalat materjali kõvaduse hindamiseks selle reaktsiooni järgi kriimustamisele. Võhiku jaoks on kõige kõvem materjal teemant. Teid üllatab, kuid see mineraal on kõige kõvemate seas kuskil 10. kohal. Keskmiselt peetakse materjali ülikõvaks, kui selle väärtused on üle 40 GPa. Lisaks tuleks maailma kõige kõvema materjali väljaselgitamisel arvesse võtta ka selle päritolu olemust. Samas sõltub tugevus ja vastupidavus sageli välistegurite mõjust sellele.
Kõige kõvem materjal Maal
Selles jaotises pöörame tähelepanu ebahariliku kristallstruktuuriga keemilistele ühenditele, mis on palju tugevamad kui teemandid ja võivad neid kriimustada. Toome6 kõige kõvemat tehismaterjali, alustades kõige vähem kõvast.
- Süsiniknitriid – boor. Selle kaasaegse keemia saavutuse tugevusindeks on 76 GPa.
- Grafeen aerogeel (aerographene) on õhust 7 korda kergem materjal, mis taastab oma kuju pärast 90% kokkusurumist. Hämmastav alt vastupidav materjal, mis suudab enda kaalust 900 korda rohkem imada ka vedelikku või isegi õli. Seda materjali plaanitakse kasutada naftareostuse korral.
- Grafeen on ainulaadne leiutis ja kõige vastupidavam materjal universumis. Temast veidi rohkem allpool.
- Carbin on allotroopse süsiniku lineaarne polümeer, millest valmistatakse üliõhukesed (1 aatom) ja ülitugevad torud. Sellist toru pikkusega üle 100 aatomi ei suutnud keegi pikka aega ehitada. Kuid Austria teadlastel Viini ülikoolist õnnestus see barjäär ületada. Lisaks, kui varem sünteesiti karabiini väikestes kogustes ja see oli väga kallis, siis tänapäeval on võimalik seda sünteesida tonnides. See avab uusi horisonte kosmosetehnoloogiale ja mujalegi.
- Elbor (kingsongite, cubonite, borasone) on nanodisainiga ühend, mida kasutatakse tänapäeval laialdaselt metalli töötlemisel. Kõvadus – 108 GPa.
Fulleriit on tänapäeval inimesele teadaolev alt kõige kõvem materjal Maal. Selle tugevuse 310 GPa tagab asjaolu, et see ei koosne üksikutest aatomitest, vaid molekulidest. Need kristallid kriimustavad kergesti teemanti nagu võinuga
Inimeste käte ime
Grafeen on järjekordne inimkonna leiutis, mis põhineb süsiniku allotroopsetel modifikatsioonidel. See näeb välja nagu õhuke kile, mis on ühe aatomi paksune, kuid 200 korda tugevam kui teras ja on erakordselt paindlik.
Grafeeni kohta öeldakse, et selle läbistamiseks peab elevant seisma pliiatsi otsas. Samal ajal on selle elektrijuhtivus 100 korda kõrgem kui arvutikiipide ränil. Peagi lahkub see laboritest ja siseneb igapäevaellu päikesepaneelide, mobiiltelefonide ja kaasaegsete arvutikiipide näol.
Kaks väga haruldast loodusanomaalia tulemust
Looduses leidub väga haruldasi ühendeid, millel on uskumatu tugevus.
- Boornitriid on aine, mille kristallidel on spetsiifiline wurtsiidi kuju. Koormuste rakendamisel jaotuvad kristallvõre aatomitevahelised ühendused ümber, suurendades tugevust 75%. Kõvadusindeks on 114 GPa. See aine tekib vulkaanipursete ajal, see on oma olemuselt väga väike.
- Lonsdaleite (põhifotol) on allotroopne süsinikuühend. Materjal leiti meteoriidikraatrist ja arvatakse, et see tekkis plahvatuse tingimustes grafiidist. Kõvadusindeks on 152 GPa. Looduses leidub harva.
Eluslooduse imed
Meie planeedi elusolendite hulgas on neid, kellel on midagi väga erilist.
- Caaerostris darwini veeb. Niit, mida Darwini ämblik kiirgab, on tugevam kui teras jakõvem kui kevlar. Just selle veebi võtsid NASA teadlased kasutusele kosmosekaitseülikondade väljatöötamisel.
- Karphambad Merepink – nende kiulist struktuuri uurib nüüd bioonika. Need on nii tugevad, et võimaldavad molluskil kivisse kasvanud vetikad maha rebida.
Raudkask
Teine looduse ime on Schmidti kask. Selle puit on kõige kõvem bioloogilist päritolu looduslik materjal. Ta kasvab Kaug-Idas Kedrovaya Padi looduskaitsealal ja on kantud Punasesse raamatusse. Tugevus on võrreldav raua ja malmiga. Kuid see ei allu korrosioonile ega lagunemisele.
Schmidti kasepuidu üldlevinud kasutamist, millest isegi kuulid läbi ei pääse, takistab selle erakordne haruldus.
Kõige kõvemad metallid
See on sini-valge metall – kroom. Kuid selle tugevus sõltub selle puhtusest. Looduses sisaldab see 0,02%, mis pole sugugi nii väike. Seda ekstraheeritakse silikaatkivimitest. Maale langevad meteoriidid sisaldavad samuti palju kroomi.
See on korrosioonikindel, kuumakindel ja tulekindel. Kroomi leidub paljudes sulamites (kroomteras, nikroom), mida kasutatakse laialdaselt tööstuses ja korrosioonivastastes dekoratiivkatetes.
Tugevamad koos
Üks metall on hea, kuid mõned kombinatsioonid võivad anda sulamile hämmastavaid omadusi.
Titaani ja kulla ülitugev sulam on ainus tugev materjal, mis on osutunud eluskudedega bioloogiliselt ühilduvaks. Beeta-Ti3Au sulam on nii tugev, et seeuhmris jahvatamine võimatu. Juba täna on selge, et see on erinevate implantaatide, tehisliigeste ja luude tulevik. Lisaks saab seda kasutada puurimisel, spordivarustusel ja paljudes muudes meie eluvaldkondades.
Ka pallaadiumi, hõbeda ja mõnede metalloidide sulamil võivad olla sarnased omadused. C altechi instituudi teadlased töötavad täna selle projekti kallal.
Tulevik hinnaga 20 dollarit tokk
Mis on kõige kõvem materjal, mida täna tänaval osta saab? Vaid 20 dollari eest saate osta 6 meetrit Braeöni linti. Alates 2017. aastast on see müügil tootj alt Dustin McWilliams. Keemiline koostis ja tootmismeetod on rangelt konfidentsiaalsed, kuid selle omadused on hämmastavad.
Teibiga saab kinnitada kõike. Selleks tuleb see keerata ümber kinnitatavate osade, soojendada tavalise välgumihkliga, anda plastikkompositsioonile soovitud kuju ja kõik. Pärast jahutamist peab vuuk vastu 1-tonnisele koormusele.
Nii kõvad kui pehmed
2017. aastal ilmus teave hämmastava materjali loomise kohta - kõige kõvem ja pehmem samal ajal. Selle metamaterjali leiutasid Michigani ülikooli teadlased. Neil õnnestus õppida, kuidas kontrollida materjali struktuuri ja panna see avaldama erinevaid omadusi.
Näiteks kui kasutate seda autode loomiseks, on kere liikumisel jäik ja kokkupõrkel pehme. Keha neelab kontaktenergiat ja kaitseb reisijat.
