Vo svojej činnosti človek využíva rôzne kvality látok a materiálov. A nie je dôležitá ich sila a spoľahlivosť. O najtvrdších materiáloch v prírode a o materiáloch vytvorených umelo sa bude diskutovať v tomto článku.
Bežná norma
Na určenie pevnosti materiálu sa používa Mohsova stupnica - stupnica na hodnotenie tvrdosti materiálu podľa jeho reakcie na poškriabanie. Pre laika je najtvrdším materiálom diamant. Budete prekvapení, ale tento minerál je až niekde na 10. mieste medzi najtvrdšími. V priemere sa materiál považuje za supertvrdý, ak sú jeho hodnoty vyššie ako 40 GPa. Navyše pri identifikácii najtvrdšieho materiálu na svete treba brať do úvahy aj povahu jeho pôvodu. Pevnosť a odolnosť zároveň často závisia od vplyvu vonkajších faktorov na ňu.
Najtvrdší materiál na Zemi
V tejto časti budeme venovať pozornosť chemickým zlúčeninám s nezvyčajnou kryštálovou štruktúrou, ktoré sú oveľa pevnejšie ako diamanty a môžu ho poškriabať. Poďme priniesťtop 6 najtvrdších umelých materiálov, počnúc od najmenej tvrdých.
- Nitrid uhlíka - bór. Tento výdobytok modernej chémie má index pevnosti 76 GPa.
- Graphene aerogel (aerographene) je materiál 7-krát ľahší ako vzduch, ktorý po 90% stlačení obnovuje svoj tvar. Úžasne odolný materiál, ktorý dokáže absorbovať aj 900-násobok svojej vlastnej hmotnosti v tekutine alebo dokonca oleji. Tento materiál sa plánuje použiť pri úniku ropy.
- Grafén je jedinečný vynález a najodolnejší materiál vo vesmíre. Trochu viac o ňom nižšie.
- Karbin je lineárny polymér alotropného uhlíka, z ktorého sú vyrobené supertenké (1 atóm) a superpevné rúrky. Takúto trubicu s dĺžkou väčšou ako 100 atómov sa dlho nikomu nepodarilo postaviť. No rakúskym vedcom z Viedenskej univerzity sa túto bariéru podarilo prekonať. Okrem toho, ak sa skoršia karabína syntetizovala v malých množstvách a bola veľmi drahá, dnes je možné ju syntetizovať v tonách. To otvára nové obzory pre vesmírne technológie a mimo nej.
- Elbor (kingsongit, cubonit, borazón) je nano-dizajnovaná zlúčenina, ktorá je dnes široko používaná pri spracovaní kovov. Tvrdosť - 108 GPa.
Fullerit je najtvrdší materiál na Zemi, aký dnes človek pozná. Jeho pevnosť 310 GPa je zabezpečená tým, že sa neskladá z jednotlivých atómov, ale z molekúl. Tieto kryštály ľahko poškriabu diamant ako nôž do masla
Zázrak ľudských rúk
Grafén je ďalší vynález ľudstva založený na alotropných modifikáciách uhlíka. Vyzerá ako tenký film s hrúbkou jedného atómu, ale 200-krát pevnejší ako oceľ, s výnimočnou flexibilitou.
O graféne sa hovorí, že aby ho slon prepichol, musí stáť na špičke ceruzky. Zároveň je jeho elektrická vodivosť 100-krát vyššia ako u kremíka počítačových čipov. Veľmi skoro opustí laboratóriá a vstúpi do každodenného života v podobe solárnych panelov, mobilných telefónov a moderných počítačových čipov.
Dva veľmi zriedkavé výsledky anomálií v prírode
V prírode existujú veľmi vzácne zlúčeniny, ktoré majú neuveriteľnú silu.
- Nitrid bóru je látka, ktorej kryštály majú špecifický wurtzitový tvar. Pôsobením záťaže dochádza k prerozdeleniu spojení medzi atómami v kryštálovej mriežke, čím sa pevnosť zvýši o 75 %. Index tvrdosti je 114 GPa. Táto látka vzniká pri sopečných erupciách, v prírode je veľmi malá.
- Lonsdaleit (na hlavnej fotografii) je alotropná uhlíková zlúčenina. Materiál sa našiel v kráteri po meteorite a predpokladá sa, že vznikol z grafitu v podmienkach explózie. Index tvrdosti je 152 GPa. Zriedka sa vyskytuje v prírode.
Zázraky divokej prírody
Medzi živými bytosťami na našej planéte sú ľudia, ktorí majú niečo veľmi výnimočné.
- Web of Caaerostis darwini. Vlákno, ktoré vydáva Darwinov pavúk, je pevnejšie ako oceľ atvrdší ako kevlar. Práve tento web uviedli vedci z NASA do prevádzky pri vývoji vesmírnych ochranných oblekov.
- Zúbky lastúrnikov morská – ich vláknitú štruktúru teraz študuje bionika. Sú také silné, že umožňujú mäkkýšom odtrhnúť riasy, ktoré prerástli do kameňa.
Breza železná
Ďalším zázrakom prírody je Schmidtova breza. Jeho drevo je najtvrdším prírodným materiálom biologického pôvodu. Rastie na Ďalekom východe v prírodnej rezervácii Kedrovaya Pad a je uvedený v Červenej knihe. Pevnosť je porovnateľná so železom a liatinou. Nepodlieha však korózii a rozkladu.
Všadeprítomnému používaniu brezového dreva Schmidt, ktorým nepreniknú ani guľky, bráni jeho výnimočná vzácnosť.
Najtvrdší z kovov
Toto je modro-biely kov - chróm. Ale jeho sila závisí od jeho čistoty. V prírode ho obsahuje 0,02 %, čo vôbec nie je tak málo. Získava sa zo silikátových hornín. Meteority padajúce na Zem obsahujú aj veľa chrómu.
Je odolný voči korózii, žiaruvzdorný a žiaruvzdorný. Chróm sa nachádza v mnohých zliatinách (chrómová oceľ, nichróm), ktoré sú široko používané v priemysle a v antikoróznych dekoratívnych náteroch.
Spolu silnejší
Jeden kov je dobrý, ale niektoré kombinácie môžu dať zliatine úžasné vlastnosti.
Superpevná zliatina titánu a zlata je jediným pevným materiálom, ktorý sa ukázal ako biokompatibilný so živými tkanivami. Zliatina beta-Ti3Au je taká pevná, že jenemožné brúsiť v mažiari. Už dnes je jasné, že toto je budúcnosť rôznych implantátov, umelých kĺbov a kostí. Okrem toho sa dá použiť na vŕtanie, športové vybavenie a mnoho ďalších oblastí nášho života.
Zliatina paládia, striebra a niektorých metaloidov môže mať tiež podobné vlastnosti. Vedci z C altech Institute dnes pracujú na tomto projekte.
Budúcnosť za 20 dolárov za klbko
Aký je najťažší materiál, ktorý si dnes môže ktokoľvek na ulici kúpiť? Len za 20 dolárov si môžete kúpiť 6 metrov pásky Braeön. Od roku 2017 je v predaji od výrobcu Dustin McWilliams. Chemické zloženie a spôsob výroby sú prísne dôverné, ale jeho kvality sú úžasné.
Všetko sa dá pripevniť páskou. K tomu sa musí omotať okolo pripevňovaných dielov, zahriať obyčajným zapaľovačom, plastová kompozícia musí dostať požadovaný tvar a je to. Po vychladnutí spoj vydrží zaťaženie 1 tony.
Tvrdé aj mäkké
V roku 2017 sa objavili informácie o vytvorení úžasného materiálu - najtvrdšieho a zároveň najjemnejšieho. Tento metamateriál vynašli vedci z University of Michigan. Podarilo sa im naučiť, ako ovládať štruktúru materiálu a dosiahnuť, aby vykazoval rôzne vlastnosti.
Ak ho napríklad použijete na výrobu áut, karoséria bude pri pohybe pevná a pri kolízii mäkká. Telo absorbuje kontaktnú energiu a chráni cestujúceho.
