Savās darbībās cilvēks izmanto dažādas kvalitātes vielas un materiālus. Un nav mazsvarīgi arī viņu spēks un uzticamība. Šajā rakstā tiks apskatīti cietākie materiāli dabā un mākslīgi radītie materiāli.
Kopējais standarts
Materiāla stiprības noteikšanai tiek izmantota Mosa skala - skala materiāla cietības novērtēšanai pēc tā reakcijas uz skrāpējumiem. Nespeciālistam cietākais materiāls ir dimants. Jūs būsiet pārsteigts, bet šis minerāls ir tikai kaut kur 10. vietā starp cietākajiem. Vidēji materiāls tiek uzskatīts par īpaši cietu, ja tā vērtības pārsniedz 40 GPa. Turklāt, nosakot cietāko materiālu pasaulē, jāņem vērā arī tā izcelsmes raksturs. Tajā pašā laikā izturība un izturība bieži vien ir atkarīga no ārējo faktoru ietekmes uz to.
Cietākais materiāls uz Zemes
Šajā sadaļā mēs pievērsīsim uzmanību ķīmiskiem savienojumiem ar neparastu kristāla struktūru, kas ir daudz stiprāki par dimantiem un var tos saskrāpēt. Atvedīsim6 cietākie mākslīgie materiāli, sākot ar vismazāk cietajiem.
- Oglekļa nitrīds – bors. Šim mūsdienu ķīmijas sasniegumam stiprības indekss ir 76 GPa.
- Grafēna aerogels (aerographene) ir par gaisu 7 reizes vieglāks materiāls, kas pēc 90% saspiešanas atjauno formu. Apbrīnojami izturīgs materiāls, kas var arī absorbēt 900 reižu vairāk par savu svaru šķidrumā vai pat eļļā. Šo materiālu plānots izmantot naftas noplūdes gadījumos.
- Grafēns ir unikāls izgudrojums un visizturīgākais materiāls Visumā. Nedaudz vairāk par viņu tālāk.
- Carbin ir lineārs alotropiskā oglekļa polimērs, no kura tiek izgatavotas īpaši plānas (1 atoms) un īpaši izturīgas caurules. Ilgu laiku neviens nevarēja uzbūvēt šādu cauruli, kuras garums pārsniedz 100 atomus. Taču Austrijas zinātniekiem no Vīnes universitātes izdevās pārvarēt šo barjeru. Turklāt, ja agrāk karabīns tika sintezēts nelielos daudzumos un bija ļoti dārgs, šodien to ir iespējams sintezēt tonnās. Tas paver jaunus apvāršņus kosmosa tehnoloģijām un ne tikai.
- Elbors (kingsongīts, kubonīts, borazons) ir nanodizaina savienojums, ko mūsdienās plaši izmanto metāla apstrādē. Cietība - 108 GPa.
Fullerīts ir cietākais materiāls uz Zemes, ko mūsdienās cilvēki zina. Tā stiprumu 310 GPa nodrošina tas, ka tas nesastāv no atsevišķiem atomiem, bet gan no molekulām. Šie kristāli viegli saskrāpēs dimantu kā sviesta nazis
Cilvēka roku brīnums
Grafēns ir vēl viens cilvēces izgudrojums, kura pamatā ir oglekļa alotropās modifikācijas. Tā izskatās kā plāna plēve, kas ir viena atoma bieza, bet 200 reizes stiprāka par tēraudu, ar izcilu elastību.
Par grafēnu saka, ka, lai to caurdurtu, zilonim jāstāv uz zīmuļa gala. Tajā pašā laikā tā elektrovadītspēja ir 100 reizes lielāka nekā datoru mikroshēmu silīcijam. Ļoti drīz tas pametīs laboratorijas un ieies ikdienas dzīvē saules bateriju, mobilo tālruņu un modernu datoru mikroshēmu veidā.
Divi ļoti reti dabas anomāliju rezultāti
Dabā ir sastopami ļoti reti savienojumi, kuriem ir neticami stiprums.
- Bora nitrīds ir viela, kuras kristāliem ir specifiska vurcīta forma. Pieliekot slodzes, savienojumi starp kristāla režģī esošajiem atomiem tiek pārdalīti, palielinot stiprību par 75%. Cietības indekss ir 114 GPa. Šī viela veidojas vulkānu izvirdumu laikā, dabā tā ir ļoti maza.
- Lonsdaleite (galvenajā fotoattēlā) ir alotropisks oglekļa savienojums. Materiāls tika atrasts meteorīta krāterī, un tiek uzskatīts, ka tas sprādziena apstākļos veidojies no grafīta. Cietības indekss ir 152 GPa. Dabā sastopams reti.
Savvaļas dabas brīnumi
Starp mūsu planētas dzīvajām būtnēm ir tādas, kurām ir kaut kas ļoti īpašs.
- Web of Caaerostris darwini. Vītne, ko izstaro Darvina zirneklis, ir stiprāka par tēraudu uncietāks par kevlaru. Tieši šo tīmekli NASA zinātnieki izmantoja kosmosa aizsargtērpu izstrādē.
- Gliemenes zobi Jūras klintis - to šķiedru struktūru tagad pēta bionika. Tie ir tik spēcīgi, ka ļauj mīkstmiešiem noplēst aļģes, kas ieaugušas akmenī.
Dzelzs bērzs
Vēl viens dabas brīnums ir Šmita bērzs. Tā koksne ir cietākais bioloģiskas izcelsmes dabīgais materiāls. Tas aug Tālajos Austrumos Kedrovaya Pad dabas rezervātā un ir iekļauts Sarkanajā grāmatā. Stiprums ir salīdzināms ar dzelzi un čugunu. Bet tas nav pakļauts korozijai un sabrukšanai.
Šmita bērza koksnes, kurā pat lodes nevar caurdurt, visuresošo izmantošanu kavē tās ārkārtējais retums.
Cietākais no metāliem
Šis ir zili b alts metāls - hroms. Bet tā stiprums ir atkarīgs no tā tīrības. Dabā tas satur 0,02%, kas nemaz nav tik maz. To iegūst no silikāta iežiem. Meteorīti, kas nokrīt uz Zemi, satur arī daudz hroma.
Tas ir izturīgs pret koroziju, karstumizturīgs un ugunsizturīgs. Hroms ir atrodams daudzos sakausējumos (hroma tēraudā, nihromā), ko plaši izmanto rūpniecībā un pretkorozijas dekoratīvajos pārklājumos.
Kopā stiprāki
Viens metāls ir labs, taču dažas kombinācijas var piešķirt sakausējumam pārsteidzošas īpašības.
Īpaši spēcīgs titāna un zelta sakausējums ir vienīgais spēcīgais materiāls, kas ir izrādījies bioloģiski saderīgs ar dzīviem audiem. Beta-Ti3Au sakausējums ir tik spēcīgs, ka tasnav iespējams sam alt javā. Jau šodien ir skaidrs, ka tā ir dažādu implantu, mākslīgo locītavu un kaulu nākotne. Turklāt to var izmantot urbšanai, sporta aprīkojumam un daudzām citām mūsu dzīves jomām.
Pallādija, sudraba un dažu metaloīdu sakausējumam arī var būt līdzīgas īpašības. Zinātnieki no C altech institūta šodien strādā pie šī projekta.
Nākotne par 20 ASV dolāriem
Kāds ir cietākais materiāls, ko šodien var iegādāties uz ielas? Tikai par 20 USD jūs varat iegādāties 6 metrus Braeön lentes. Kopš 2017. gada tas ir pārdošanā no ražotāja Dustin McWilliams. Ķīmiskais sastāvs un ražošanas metode tiek stingri konfidenciāli, taču tā īpašības ir pārsteidzošas.
Ar lenti var piestiprināt jebko. Lai to izdarītu, tas jāaptin ap stiprināmajām daļām, jāuzsilda ar parastu šķiltavu, jāpiešķir plastmasas kompozīcijai vēlamā forma un viss. Pēc atdzesēšanas savienojums izturēs 1 tonnas slodzi.
Gan cieta, gan mīksta
2017. gadā parādījās informācija par pārsteidzoša materiāla - cietākā un mīkstākā reizē - tapšanu. Šo metamateriālu izgudroja Mičiganas universitātes zinātnieki. Viņiem izdevās iemācīties kontrolēt materiāla struktūru un panākt, lai tam piemīt dažādas īpašības.
Piemēram, izmantojot to automašīnu radīšanai, virsbūve kustībā būs stingra un sadursmes gadījumā mīksta. Ķermenis absorbē kontakta enerģiju un aizsargā pasažieri.
