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 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 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.
Осмий на сегодня определён как самое тяжёлое вещество на планете. Всего один кубический сантиметр этого вещества весит 22.6 грамма. Он был открыт в 1804 году английским химиком Смитсоном Теннантом, при растворении золота в После в пробирке остался осадок. Это произошло из-за особенности осмия, он нерастворим в щелочах и кислотах.
Самый тяжёлый элемент на планете
Представляет собой голубовато-белый металлический порошок. В природе встречается в виде семи изотопов, шесть из них стабильны и один неустойчив. По плотности немного превосходит иридий, который имеет плотность 22,4 грамма на кубический сантиметр. Из обнаруженных на сегодня материалов, самое тяжёлое вещество в мире - это осмий.
Он относится к группе таких как лантан, иттрий, скандий и других лантаноидов.
Дороже золота и алмазов
Добывается его очень мало, порядка десяти тысяч килограмм в год. Даже в наиболее большом источнике осмия, Джезказганском месторождении, содержится порядка трёх десятимиллионных долей. Биржевая стоимость редкого металла в мире достигает порядка 200 тысяч долларов за один грамм. При этом максимальная чистота элемента в процессе очистки около семидесяти процентов.
Хотя в российских лабораториях удалось получить чистоту 90,4 процента, но количество металла не превышало нескольких миллиграмм.
Плотность материи за пределами планеты Земля
Осмий, бесспорно, является лидером самых тяжёлых элементов нашей планеты. Но если мы обратим свой взор в космос, то нашему вниманию откроется множество веществ более тяжёлых, чем наш «король» тяжёлых элементов.
Дело в том, что во Вселенной существуют условия несколько другие, чем на Земле. Гравитация ряда настолько велика, что вещество неимоверно уплотняется.
Если рассмотреть структуру атома, то обнаружится, что расстояния в межатомном мире чем-то напоминают видимый нами космос. Где планеты, звезды и прочие находятся на достаточно большой дистанции. Остальное же занимает пустота. Именно такую структуру имеют атомы, и при сильной гравитации эта дистанция достаточно сильно уменьшается. Вплоть до «вдавливания» одних элементарных частиц в другие.
Нейтронные звезды - сверхплотные объекты космоса
В поисках за пределами нашей Земли мы сможем обнаружить самое тяжёлое вещество в космосе на нейтронных звёздах.
Это достаточно уникальные космические обитатели, один из возможных типов эволюции звёзд. Диаметр таких объектов составляет от 10 до 200 километров, при массе равной нашему Солнцу или в 2-3 раза больше.
Это космическое тело в основном состоит из нейтронной сердцевины, которая состоит из текучих нейтронов. Хотя по некоторым предположениям учёных она должна находиться в твёрдом состоянии, достоверной информации на сегодня не существует. Однако известно, что именно нейтронные звезды, достигая своего передела сжатия, впоследствии превращаются в с колоссальным выбросом энергии, порядка 10 43 -10 45 джоулей.
Плотность такой звезды сравнима, к примеру, с весом горы Эверест, помещённой в спичечный коробок. Это сотни миллиардов тонн в одном кубическом миллиметре. К примеру, чтобы стало более понятно, насколько велика плотность вещества, возьмём нашу планету с её массой 5,9×1024 кг и «превратим» в нейтронную звезду.
В результате, чтобы сравнялась с плотностью нейтронной звезды, её нужно уменьшить до размеров обычного яблока, диаметром 7-10 сантиметров. Плотность уникальных звёздных объектов увеличивается с перемещением к центру.
Слои и плотность вещества
Наружный слой звезды представлен собой в виде магнитосферы. Непосредственно под ней плотность вещества уже достигает порядка одной тонны на сантиметр кубический. Учитывая наши знания о Земле, на данный момент, это самое тяжёлое вещество из обнаруженных элементов. Но не спешите с выводами.
Продолжим наши исследования уникальных звёзд. Их называют также пульсарами, из-за высокой скорости вращения вокруг своей оси. Этот показатель у различных объектов колеблется от нескольких десятков до сотен оборотов в секунду.
Проследуем далее в изучении сверхплотных космических тел. Затем следует слой, который имеет характеристики металла, но, скорее всего, он похож по поведению и структуре. Кристаллы намного меньше, чем мы видим в кристаллической решётке Земных веществ. Чтобы выстроить линию из кристаллов в 1 сантиметр, понадобится выложить более 10 миллиардов элементов. Плотность в этом слое в один миллион раз выше, чем в наружном. Это не самое тяжёлое вещество звезды. Далее следует слой, богатый нейтронами, плотность которого в тысячу раз превышает предыдущий.
Ядро нейтронной звезды и его плотность
Ниже находится ядро, именно здесь плотность достигает своего максимума - в два раза выше, чем вышележащий слой. Вещество ядра небесного тела состоит из всех известных физике элементарных частиц. На этом мы достигли конца путешествия к ядру звезды в поисках самого тяжёлого вещества в космосе.
Миссия в поисках уникальных по плотности веществ во Вселенной, казалось бы, завершена. Но космос полон загадок и неоткрытых явлений, звёзд, фактов и закономерностей.
Чёрные дыры во Вселенной
Следует обратить внимание, на то, что сегодня уже открыто. Это чёрные дыры. Возможно, именно эти загадочные объекты могут быть претендентами на то, что самое тяжёлое вещество во Вселенной - их составляющая. Обратите внимание, что гравитация чёрных дыр настолько велика, что свет не может её покинуть.
По предположениям учёных, вещество, затянутое в область пространства времени, уплотняется настолько, что пространства между элементарными частицами не остаётся.
К сожалению, за горизонтом событий (так называется граница, где свет и любой объект, под действием сил гравитации, не может покинуть чёрную дыру) следуют наши догадки и косвенные предположения, основанные на выбросах потоков частиц.
Ряд учёных предполагают, что за горизонтом событий смешиваются пространство и время. Существует мнение, что они могут являться «проходом» в другую Вселенную. Возможно, это соответствует истине, хотя вполне возможно, что за этими пределами открывается другое пространство с совершенно новыми законами. Область, где время поменяется «местом» с пространством. Местонахождение будущего и прошлого определяется всего лишь выбором следования. Подобно нашему выбору идти направо или налево.
Потенциально допустимо, что во Вселенной существуют цивилизации, которые освоили путешествия во времени через чёрные дыры. Возможно, в будущем люди с планеты Земля откроют тайну путешествий сквозь время.
Всем известно, что на настоящий момент алмаз является эталоном твёрдости, т.е. при определении твёрдости материала за основу берется показатель твёрдости алмаза. В нашей статье мы рассмотрим десять самых твёрдых материалов в мире и посмотрим насколько они тверды относительно алмаза. Материал считается сверхтвёрдым если его показатели находятся выше 40 ГПа. Нужно учесть, что твёрдость материала может колебаться в зависимости от внешних факторов, в частности от приложенной к нему нагрузки. Итак, представляем десять самых твёрдых материалов в мире.
10. Субоксид бора
Субоксид бора состоит из зёрен имеющих форму выпуклых двадцатигранников. Эти зёрна состоят, в свою очередь, из двадцати кристаллов-многогранников, гранями которого являются четыре треугольника. Субоксид бора имеет повышенную прочность в 45 ГПа.
9. Диборид рения
Диборид рения очень интересный материал. При малых нагрузках он ведет себя как сверхтвёрдый, имея прочность в 48 ГПа, а при нагрузке его твердость снижается до 22 ГПа. Этот факт вызывает бурные дискуссии у ученых всего мира относительно того стоит ли считать диборид рения сверхтвёрдым материалом.
8. Борид магния-алюминия
Борид магния-алюминия составляет собой сплав алюминия, магния и бора. Этот материал имеет невероятно низкие показатели трения скольжения. Это уникальное свойство могло бы стать настоящей находкой в производстве разнообразных механизмов, ведь детали из борида магния-алюминия способны работать без смазки. К сожалению, сплав невероятно дорог, что на данный момент закрывает ему дорогу к широкому применению. Твердость борид магния-алюминия — 51 ГПа.
7. Бор-углерод-кремний
Соединение Бор-углерод-кремний обладает невероятной устойчивостью к высочайшим температурам и химическому воздействию. Твердость Бор-углерод-кремния — 70 ГПа.
6. Карбид бора
Карбид бора был открыт еще в 18 веке и начал использоваться почти сразу во многих отраслях промышленности. Его используют при обработке металлов и сплавов, при изготовлении химической посуды, а также в энергетике и электронике. Используется как основное вещество для пластин бронежилетов. Твердость карбида бора составляет 49 ГПа, а добавляя в него аргон в виде ионов, можно увеличить этот показатель до 72 ГПа.
5. Нитрид углерода-бора
Нитрид углерода-бора является одним из представителей достижений современной химии, он был синтезирован сравнительно недавно Твердость нитрид углерода-бора — 76 ГПа.
4. Наноструктурированный кубонит
Наноструктурированный кубонит имеет и другие названия: кингсонгит, боразон или эльбор. Материал обладает показателями твёрдости близкими к алмазу и успешно применяется в промышленности при обработке различных металлов и сплавов. Твердость наноструктурированного кубонита — 108 ГПа.
3. Вюртцитный нитрид бора
Структура кристаллов этого вещества имеет особую вюрцитную форму, она то и позволяет быть ему одним из лидеров по твёрдости. При приложении нагрузки связи между атомами в кристаллической решётке перераспределяются и твёрдость материала повышается почти на 75%! Твердость вюрцитного нитрида бора — 114 ГПа.
2. Лонсдейлит
Лонсдейлит по своей структуре очень похож на алмаз, ведь они оба являются аллотропными модификациями углерода. Лонсдейлит был обнаружен в воронке метеорита, одним из компонентов которого являлся графит . По всей видимости от нагрузок, вызванных взрывом метеорите, графит превратился в лонсдейлит. При обнаружении лонсдейлит не продемонстрировал особых чемпионских показателей твёрдости, однако было доказано, что при отсутствии в нём примесей, он будет твёрже алмаза! Доказанный показатель твердости лонсдейлита — до 152 ГПа
1. Фуллерит
Пришло время рассмотреть самое твёрдое вещество в мире — фуллерит. Фуллерит — это кристалл, который состоит из молекул, а не из отдельных атомов. Благодаря этому фуллерит обладает феноменальной твердостью, он способен легко царапать алмаз, также как сталь царапает пластик! Твердость фуллерита — 310 ГПа.
Фуллерит
Мы привели список самых твёрдых материалов в мире на данный момент. Как видим, среди них достаточно веществ твёрже алмаза и,возможно, нас ждут впереди ещё новые открытия, которые позволят получить материалы с ещё более высокими показателями твёрдости!
Твердость алмаза можно определить с помощью нескольких известных ранее шкал. Твердость минералов – такой показатель, измерения которого лучше избегать, если такая возможность существует. Чтобы проверить твердость, нужно царапать минерал различными материалами. Фридрих Моос – известный ученый-минералог – в 1811 году предложил использовать для определения твердости камней специальную шкалу, придуманную им. Впоследствии ее назвали шкалой Мооса.
Что же такое твердость? Простыми словами, это сопротивление, которое оказывает минерал, когда его пытаются поцарапать другим минералом или материалом. Фридрих Моос разработал шкалу с коэффициентом твердости от 1 до 10, где 1 – это тальк, а 10 – алмаз. Ученый взял в свою эталонную шкалу легкодоступные минералы и построил их в линейку по возрастанию сопротивления другим минералам. Числа твердости, указанные Моосом, не определяют истинную твердость минерала.
Алмаз – самый твердый в мире минерал естественного происхождения, по шкале Мооса его показатель равняется 10. Корунд имеет показатель, равный 9. Ученый удалось синтезировать карборунд, который превосходит по твердости корунд, но алмаз он все равно не царапает. Сталь по твердости намного уступает алмазу, ее твердость находится в диапазоне от 5,5 до 7,5 в зависимости от сплава. Тверже алмаза сплав стали сделать не удалось. Но твердость стали определяется с помощью алмазных пластин: насколько пластинка или пирамидка вдавится в образец стали, такая и будет твердость. Сейчас все чаще на производстве алмазы заменяются стальными шариками специальных сплавов.
Прочность алмаза, или почему алмаз такой твердый
Очень давно, когда на Земле еще не было жизни, а сама планета была молодой, на поверхности происходили природные процессы. Тектоническая порода находилась в расплавленном состоянии, она перемешивалась под действием высоких температур и паров различных испарений, а потом медленно остывала. Все эти процессы привели к формированию самого твердого камня, который сейчас называется алмазом.
Происхождение названия данного камня уходит своими корнями в глубокую древность, почему его стали называть именно алмазом, до конца остается неизвестным, но существует ряд предположений:
- Слово алмаз пришло из Греции. “Адамас” – “твердый”, “несокрушимый”.
- “Ал-ма” от персидского “твердый”.
- Название камня происходит от женского имени Элиза или Элайза. Полная форма этого имени Елизавета, означает «Божья милость». По легенде была девушка, которая обладала даром исцеления людей. Имя ее было Элиза. Она была крепка душой и телом, могла своим умением поднять на ноги даже самого тяжелобольного человека. Однажды Элиза влюбилась в прекрасного юношу, он ответил на ее чувства, их любовь была прекрасна, но длилась недолго. Элиза отправилась в дальний путь, чтобы пополнить запасы целебных трав. В это время ее возлюбленный тяжело заболел. Когда Элиза вернулась, он был уже мертв. Девушка жила в горах, она зашла в одну из пещер горной местности и горько заплакала. Это были самые первые ее слезы, они обратились в камни, которые потом стали называть алмазами.
Твердость алмаза и графита
Интересным фактом является то, что алмаз – самый крепкий минерал, а графиту по шкале Мооса соответствует число 1, что означает, что он самый мягкий.
Алмаз и графит состоят из одинаковых атомов одного и того же химического элемента – углерода. Тогда почему одно вещество самое мягкое, а другое – самое твердое? Ответ очень прост. Все дело в химических связях или кристаллических решетках этих минералов. Атомы углерода по-разному связаны между собой, поэтому они проявляют разные химические и физические свойства: имеют различный внешний вид, твердость, пластичность, блеск и другие параметры. Графит имеет слоистую структуру. Атомы углерода между собой связаны слабо, это и объясняет то, что графит очень мягкий.
Лонсдейлит – синтетический алмаз
В природе нет материала тверже алмаза, но наука не стоит на месте. Ученым удалось синтезировать вещество, которое является на 58% прочнее алмаза. Название этого материала – лонсдейлит. Он может выдержать давление на 55 ГПа больше, чем самый твердый природный минерал. Но его использование почти невозможно, потому что его очень трудно получать. Стоимость получения не оправдывает затраченных средств, а в его применении нет особой необходимости. Назван лонсдейлит в честь кристаллографа Кетлин Лонсдейл, которая была родом из Британии.
Назвать самое твёрдое вещество в мире не так просто, как может показаться поначалу. Дело в том, что твёрдость материалов может меняться в зависимости от некоторых внешних факторов. В частности, она, как ни странно, может оказаться разной, когда изменяется прилагаемая нагрузка.
Многие годы эталоном твёрдости считался алмаз. Впрочем, почему считался? В мире материалов его твёрдость до сих пор остаётся эталоном. Всё, что уступает алмазу в твёрдости, но приближается к нему по этому показателю, называют сверхтвёрдым. А вещества, которые твёрже алмаза, несут гордое наименование «ультра прочных».
И здесь многие читатели могут засомневаться. Ведь ещё не так давно даже в школах учили, что твёрже алмаза в природе ничего нет, и эту истину запомнили многие. Но все истины относительны, как говорят философы. Информация о «самом твёрдом алмазе» в наше время также претерпела изменения.
Так что же твёрже алмаза?
Начнём с того, что алмазы также бывают разными по твёрдости. Твёрдость материалов измеряется гигапаскалями (ГПа). Так вот, у разных алмазов этот показатель может варьировать от 70 до 150 ГПа. Согласитесь, разброс весьма существенный! Верхний предел прочности принадлежит так называемым чёрным алмазам, «карбонадо». В природном виде они обнаружены в крайне малых количествах, в Бразилии и Южной Африке.
Если «обычный» алмаз состоит из одного кристалла, то карбонадо - из огромного количества кристаллов углерода, между которыми остаются пустоты. Установлено, что эти алмазы образуются не при высоких давлениях, а при обычных, и находят их только на поверхности Земли. Распространена теория, что карбонадо занесены на нашу планету астероидом, возникшим в результате взрыва сверхновой звезды.
Итак, карбонадо - существенно твёрже «обычного» алмаза, но это всё же алмаз. А есть вещества, которые вовсе не являются алмазами, но твёрже их, и даже твёрже, чем карбонадо. Вот они:
- фуллерит;
- лонсдейлит;
- вюртцидный нитрид бора.
Это полностью искусственный материал, не встречающийся в природе. Его твёрдость оценена в 310 ГПа. «Карандашик» из этого материала с лёгкостью поцарапает алмазную пластинку. Фуллериты состоят из молекул фуллерена, синтезированного в 1985 году. За это открытие его авторы получили, между прочим, Нобелевскую премию по химии!
Интересно, что долгое время фуллерит был невероятно дорогим и редким веществом, потому что для его синтеза нужны чудовищно высокие давления. Но несколько лет назад российские физики в сотрудничестве с французскими сумели обойти это препятствие. Сейчас вещество уже можно создавать в относительно простых условиях.
Это вещество называют «гексагональным алмазом», потому что оно состоит из графита, только изменённого. В природе очень редко встречается в метеоритных кратерах, но там его твёрдость даже уступает твёрдости карбонадо. Всё дело в примесях, которые обязательно присутствуют в естественных образцах лонсдейлита.
Чтобы это вещество избавилось от примесей, и получило свою максимальную твёрдость, его , в присутствии огромного давления. Твёрдость «чистого» лонсдейлита оценивают в 170 - 220 ГПа.
Не все учёные считают, что он твёрже алмаза. Иными словами, его третье место пока оспаривается. Дело в том, что в обычном состоянии нитрид бора хоть и очень твёрдый, но всё же относится не к ультра прочным, а к сверхтвёрдым веществам.
Всё меняется, когда на его структуру начинают оказывать давление. Атомарные связи этого вещества устроены так, что при повышении давления они «производят перегруппировку», и вот тогда-то нитрид бора становится твёрже алмаза!
Таким образом, определяя самое твёрдое вещество в мире, мы познакомились с интересными веществами, а заодно избавились от привычного мифа о «самом твёрдом алмазе».
