Đi tìm vật liệu cứng nhất trên Trái đất, kim cương không có cửa trong top 5

Carbon là một trong những nguyên tố tuyệt vời nhất trong tự nhiên, với những đặc thù hóa học và vật lý khác với những nguyên tố khác. Chỉ với 6 proton trong hạt nhân của nó, cacbon là nguyên tố nhẹ nhất có năng lực hình thành những link hóa học phức tạp. Tất cả những dạng sống đã biết đều dựa trên cacbon, vì những nguyên tử cacbon hoàn toàn có thể hình thành link hóa học với tối đa bốn nguyên tử cùng một lúc .Dưới áp suất cao, cacbon cũng hoàn toàn có thể phối hợp với những nguyên tử cacbon khác để tạo thành cấu trúc mạng tinh thể không thay đổi. Nếu những điều kiện kèm theo thích hợp, những nguyên tử cacbon cũng hoàn toàn có thể tạo thành một cấu trúc cực kỳ bền và siêu cứng được gọi là kim cương .Mặc dù kim cương được biết đến là chất cứng nhất trên quốc tế, nhưng thực tiễn có 6 loại vật liệu còn tốt hơn cả kim cương. Tất nhiên, kim cương vẫn là một trong những vật liệu tự nhiên cứng nhất trên Trái đất, nhưng thật khó để so sánh với sáu vật liệu này .

Có ba chất trên Trái đất không cứng bằng kim cương, nhưng vẫn đáng được nhắc đến vì chúng hoạt động giải trí tốt về nhiều mặt. Với sự tăng trưởng của công nghệ tiên tiến nano, cùng với sự hiểu biết tốt hơn về những vật liệu tân tiến ở quy mô nano, giờ đây tất cả chúng ta nhận ra rằng có nhiều thước đo hoàn toàn có thể được sử dụng để nhìn nhận những đặc tính của những vật liệu cực đoan này .Hãy khởi đầu với sinh học. Mặc dù tơ nhện nhìn rất mỏng dính, nhưng nó thực sự là một vật liệu rất bền. Tỷ lệ sức mạnh trên khối lượng của nó tiêu biểu vượt trội hơn nhiều so với những vật liệu truyền thống cuội nguồn như nhôm và sắt, đồng thời nó rất mỏng dính và dính. Trong tổng thể những loài nhện trên quốc tế, tơ của nhện vỏ cây Darwin là mạnh nhất, mạnh hơn gấp 10 lần so với sợi Kevlar tổng hợp .

Một chất tự nhiên khác được gọi là cacbua silic ( thường ở dạng moissanite ) chỉ cứng hơn kim cương một chút ít. Các hạt cacbua silic đã được sản xuất trên quy mô lớn từ năm 1893. Silicon và carbon thuộc cùng một họ nguyên tố, và hoàn toàn có thể tạo thành vật liệu cực kỳ cứng này ở áp suất cao nhưng nhiệt độ tương đối thấp trải qua một quy trình gọi là thiêu kết .Những vật liệu này không riêng gì tương thích với nhiều trường hợp yên cầu độ cứng cao như má phanh, ly hợp, giáp thân, giáp xe tăng, v.v., mà còn có đặc tính bán dẫn tuyệt vời, vì thế chúng cũng đóng một vai trò quan trọng trong sản xuất linh phụ kiện điện tử .Khoảng 20 năm trước, những nhà khoa học lần tiên phong tăng trưởng những quả cầu silicon nano với đường kính từ 2 nanomet đến 50 nanomet. Điều đáng kinh ngạc nhất là những quả cầu nano này rỗng và không chỉ hoàn toàn có thể tự lắp ráp thành những quả cầu mà còn hoàn toàn có thể lồng vào nhau. Nó cũng là một trong những vật liệu cứng nhất mà con người biết đến, chỉ kém kim cương một chút ít về độ cứng .Tự lắp ráp là một công cụ cực kỳ can đảm và mạnh mẽ trong tự nhiên, nhưng so với vật liệu tổng hợp, vật liệu sinh học yếu hơn về mặt này. Các hạt nano tự lắp ráp này hoàn toàn có thể được sử dụng để tạo ra những vật liệu tùy chỉnh như bộ lọc nước hoạt động giải trí tốt hơn, pin mặt trời hiệu suất cao hơn, chất xúc tác nhanh hơn hoặc thiết bị điện tử. Tuy nhiên, ngữ cảnh ứng dụng lý tưởng nhất là bộ áo giáp được ” may đo ” theo khung hình người dùng .

Vật liệu có độ cứng cao nổi tiếng nhất

Trên trong thực tiễn, không một loại vật liệu nào ở trên hoàn toàn có thể sánh được với độ cứng của kim cương. Trong tổng thể những vật liệu được tìm thấy hoặc tạo ra trên Trái đất, kim cương là vật liệu cứng thứ bảy. Trong khi 1 số ít vật liệu tự nhiên ( nhưng rất hiếm ) và chất tổng hợp đã vượt qua kim cương về độ cứng, thì trong ấn tượng của nhiều người, kim cương vẫn là chất có độ cứng cao nhất .Tuy nhiên, có sáu vật liệu đã vượt mặt kim cương về độ cứng .

Số 6, Wurtzite boron nitride

Ngoài carbon, nhiều nguyên tử hoặc hợp chất khác có thể tạo thành tinh thể, và boron nitride là một trong số đó. Boron và nitơ lần lượt chiếm vị trí thứ năm và thứ bảy trong bảng tuần hoàn, và khi hai nguyên tố này kết hợp với nhau, chúng có thể tạo ra nhiều hợp chất khác nhau, bao gồm chất rắn vô định hình, hệ tinh thể lục phương (tương tự như than chì), hệ tinh thể lập phương (tương tự như kim cương, nhưng có cấu trúc kém hơn một chút sức mạnh), và wurtzite.

Trong số này, hình thức ở đầu cuối là cực đoan nhất và cũng là vật liệu cực kỳ cứng chắc. Vật liệu này được hình thành trong quy trình phun trào núi lửa và cho đến nay người ta mới chỉ tìm thấy một lượng rất nhỏ nên trong thực tiễn giới khoa học lúc bấy giờ không hề kiểm tra độ cứng của nó bằng thực nghiệm. Nhưng những mô phỏng mới nhất cho thấy nó hoàn toàn có thể tạo thành một kiểu cấu trúc cứng hơn kim cương 18 % .

Số 5, Lonsdaleit

Trong ảnh là hai viên kim cương được thu hồi từ miệng núi lửa Popigai. Bên trái là kim cương nguyên chất, bên phải là hỗn hợp kim cương và một lượng nhỏ Lonsdaleit. Nếu có bất kỳ viên đá Lonsdaleit không lẫn tạp chất nào, độ bền và độ cứng của nó sẽ tốt hơn kim cương nguyên chất nhiều lần.

Kim cương thực chết là tinh thể thuộc hệ tinh thể lập phương, còn Lonsdaleit thuộc hệ tinh thể lục giác, thành phần của nó tương như như kim cương nhưng hoàn toàn có thể cứng hơn kim cương tới 58 %. Do đó, người ta còn gọi Lonsdaleit là kim cưng lục phương ( một dạng thù hình của cacbon với ô mạng lục phương ). Trong tự nhiên, nó hình thành khi những thiên thạch chứa than chì va vào Trái Đất. Lượng nhiệt và áp suất lớn của vụ va chạm đã đổi khác than chì thành kim cương, nhưng cấu trúc ô mạng tinh thể lục phương của than chì vẫn được bảo tồn. Lonsdaleit được nhận dạng lần tiên phong năm 1967 trong thiên thạch Canyon Diablo, thiên thạch này Open những tinh thể rất rất nhỏ có tương quan đến kim cương .

Số 4, Dyneema

Dyneema là một loại polyme polyetylen nhiệt dẻo có khối lượng phân tử cực cao. Hầu hết những phân tử tất cả chúng ta biết chỉ có vài nghìn đơn vị chức năng khối lượng nguyên tử, nhưng chuỗi phân tử của polyetylen khối lượng phân tử siêu cao thì cực kỳ dài, và khối lượng của một phân tử hoàn toàn có thể lên tới hàng chục triệu đơn vị chức năng khối lượng nguyên tử .Với một chuỗi phân tử dài như vậy, sự tương tác giữa những phân tử sẽ được tăng cường đáng kể. Trên trong thực tiễn, vật liệu này có độ bền va đập cao nhất trong tổng thể những loại nhựa nhiệt dẻo đã biết, được coi là vật liệu sợi mạnh nhất trên quốc tế, tiêu biểu vượt trội hơn toàn bộ những loại dây buộc và dây kéo trên thị trường, nhẹ hơn nước và có năng lực chống đạn .

Số 3, Thủy tinh siêu nhỏ palladium

Tất cả những vật liệu vật lý đều có hai đặc tính quan trọng : độ bền và độ dẻo dai ; độ bền là lực thiết yếu để làm biến dạng vật liệu và độ dẻo dai là lực thiết yếu để làm vỡ hoặc gãy vật liệu. Hầu hết những vật liệu gốm sứ đều có độ bền cao nhưng độ dẻo dai rất kém, chúng dễ bị vỡ nếu kẹp quá chặt hoặc vô tình làm rơi. Các vật liệu đàn hồi như cao su đặc thì ngược lại, tuy không dễ gãy nhưng chúng rất dễ biến dạng và có độ cứng cực thấp .Hầu hết những vật liệu thủy tinh đều dễ vỡ, độ bền cao và độ dẻo dai thấp. Ngay cả kính cường lực chống va đập như kính Pyrex hoặc kính Corning cũng không đủ cứng như một vật liệu riêng. Nhưng vào năm 2011, những nhà nghiên cứu đã ý tưởng ra một loại thủy tinh vi mô mới, có chứa 5 nguyên tố là phốt pho, silicon, germani, bạc và palladium. Trong số đó, palladium hoàn toàn có thể tạo thành những dải cắt, được cho phép thủy tinh bị biến dạng dẻo khi nó bị ảnh hưởng tác động và sẽ không bị phá vỡ trực tiếp. Vật liệu này là sự tích hợp độ bền và độ dẻo dai cực cao, thuận tiện vượt mặt mọi loại thép cũng như thủy tinh hiện có và đây cũng là vật liệu không chứa carbon cứng nhất trên quốc tế .

Số 2, Buckypaper

Kể từ cuối thế kỷ 20, một vật liệu gọi là ống nano carbon đã được biết đến là ” cứng hơn kim cương “. Chất này thuộc hệ tinh thể lục giác, cấu trúc tổng thể và toàn diện là hình elip, và tính không thay đổi của nó tốt hơn bất kể cấu trúc nào mà con người biết đến. Nếu bạn tích hợp một số lượng lớn những ống nano carbon vào một bề mặt phẳng, bạn sẽ có được một loại ” giấy ” mỏng mảnh gọi là buckypaper .Ngoài buckypaper, có một cấu trúc cứng không kém được gọi là buckyball, được tạo thành từ 60 nguyên tử carbon link với nhau. Buckyball cũng là một vật liệu tự nhiên hoàn toàn có thể được hình thành trong 1 số ít thiên nhiên và môi trường ngoài hành tinh nhất định. Buckyball mặc dầu đã được ứng dụng trong nghành nano, nhưng nó vẫn chưa đạt được sản lượng định lượng, và trong thời điểm tạm thời chưa bộc lộ được ” kĩ năng ” của mình ở quy mô vĩ mô, vì thế nó không được đưa vào list này .Để so sánh, mỗi ống nano tạo nên buckypaper chỉ có đường kính từ 2 đến 4 nanomet, nhưng cấu trúc rất chắc như đinh nên nó hoàn toàn có thể được kết hợp thành những tấm vật liệu có diện tích quy hoạnh lớn hơn. Trọng lượng của nó chỉ bằng 10 % thép, nhưng nó cứng hơn hàng trăm lần. Ngoài ra, vật liệu này còn có năng lực chống cháy, hiệu suất cao dẫn nhiệt cao, năng lực che chắn điện từ tiêu biểu vượt trội, có triển vọng ứng dụng phong phú và đa dạng trong khoa học vật liệu, linh phụ kiện điện tử, quân sự chiến lược và thậm chí còn cả nghành nghề dịch vụ sinh học .

Số 1, Graphene

Cuối cùng, tất cả chúng ta hãy xem xét cấu trúc mạng lục giác gồm có những nguyên tử cacbon – graphene, chỉ dày một nguyên tử. Sau khi được điều chế thành công xuất sắc, graphene vảy được kỳ vọng sẽ trở thành vật liệu mang tính cách mạng nhất của thế kỷ 21. Graphene thực sự là thành phần cấu trúc cơ bản nhất của ống nano carbon và có rất nhiều trường hợp ứng dụng .Ở cùng độ dày, graphene là vật liệu mạnh nhất được biết đến, với năng lực dẫn nhiệt và dẫn điện vô song, độ truyền ánh sáng đạt gần 100 %. Giải Nobel Vật lý năm 2010 được trao cho Andrei Geim và Konstantin Novoselov vì những thí nghiệm của họ trên graphene. Cho đến nay, graphene vẫn là vật liệu mỏng mảnh nhất mà tất cả chúng ta biết. Và chỉ mất sáu năm để trò chơi và Novoselov từ điều tra và nghiên cứu đến trao giải, đây là một trong những kỷ lục nhanh nhất trong nghành nghề dịch vụ vật lý .
https://suanha.org/di-tim-vat-lieu-cung-nhat-tren-trai-dat-kim-cuong-khong-co-cua-trong-top-5-20220324111741895.chn

Source: https://suanha.org
Category: Vật Liệu