Прочнейшее вещество во вселенной

Какой самый твердый материал на Земле?

Алмаз оценивается по шкале твердости Мооса на 10 баллов, что говорит о том, что это самый твердый природный материал, когда он подвергается царапинам. Однако, по прогнозам, лонсдейлит, вещество, обнаруженное в метеоритах, будет еще более твердым, чем алмаз.

Спросите любого любителя науки: «какой самый твердый материал?» — и он, несомненно, ответит: «Алмаз».

На протяжении десятилетий люди использовали безупречную твердость алмаза для интенсивной резки. Кроме того, учитывая его способность красиво взаимодействовать со светом, бриллианты являются крайне желанным украшением для женщин. Но действительно ли алмаз — самый твердый материал на Земле?

Ну, почти… ученые обнаружили потенциального соперника, который, как полагают, даже тверже, чем алмаз.

Самое твердое вещество природного происхождения на нашей планете

Когда дело доходит до природных твердых веществ, алмаз является явным победителем. Благодаря своей компактной структуре его очень трудно превзойти по твердости. Теперь возникает вопрос… как мы измеряем твердость?

Измерение твердости

В материаловедении очень важна оценка твердости материала. Однако определить твердость не так-то просто. Таким образом, твердость можно измерить по-разному, в зависимости от контекста и применимости.

Шкала твердости Мооса

Одна из наиболее часто используемых шкал твердости — шкала твердости Мооса, разработанная немецким минералогом Фридрихом Моосом в девятнадцатом веке. По этой шкале твердость — это мера сопротивления, проявляемого одним материалом при царапании другим материалом. Шкала твердости Мооса варьируется от 0 до 10, где 10 означает самую твердую (наименее подверженную царапинам), а 0 — наименьшую твердость.

Шкала твердости минералов Мооса.

Алмаз получил 10 баллов по этой шкале, что ясно указывает на то, что это самый твердый натуральный материал, когда его подвергают царапинам. Чтобы понять, насколько хорош алмаз, рассмотрим сталь, которая известна своей твердостью и имеет только 4,5 балла по этой шкале!

Так вот, измерение твердости по стойкости вещества к царапинам одобрялось далеко не всеми. Таким образом, ученые начали искать альтернативный метод измерения твердости. Была разработана еще одна методика определения твердости, в которой для оценки твердости использовался индентор.

Тест твердости по Виккерсу

Один из самых известных тестов для определения твердости с использованием индентора — это тест твердости по Виккерсу. При этом методе испытания на твердость индентор в форме пирамиды прижимается к материалу, твердость которого необходимо оценить. На данный материал в течение определенного времени прилагается определенное усилие. После этого индентора измеряется степень вмятины на материале. Это делается путём измерения площади поверхности вмятины, нанесённой индентором на материал. Здесь снова было установлено, что алмаз является самым твердым природным материалом на Земле.

Что делает бриллиант таким твердым?

В этот момент вы можете спросить себя, что делает бриллиант таким твердым? Ответ кроется в молекулярной структуре этого блестящего элемента. Алмаз — это аллотроп углерода, состоящий из пяти атомов углерода, которые разделяют электроны друг с другом в структуре тетраэдрической решетки. Ковалентная связь между этими атомами углерода чрезвычайно прочна, и ее очень трудно разорвать при комнатной температуре.

Алмаз как тетраэдрическая структура углерода.

Из-за этой прочной ковалентной связи у алмазов нет свободных электронов, что делает их плохим проводником электричества, но отличным проводником тепла. Фактически, алмаз примерно в пять раз лучше по теплопроводности, чем медь. Благодаря своей фантастической теплопроводности алмазы часто присутствуют в электрических деталях, например, в радиаторах.

Алмазы не непобедимы.

Прочитав это, вы можете почувствовать, что бриллианты непобедимы, но на самом деле это не так. Алмаз становится уязвимым при очень высоких температурах. Когда вы нагреваете алмаз выше 800 °C, его химические и физические свойства больше не остаются неизменными. Нарушение характерной прочности алмаза. Они начинают химически реагировать с железом, что делает алмаз нежелательным для обработки стали. Характерная твердость алмаза нарушается. Они начинают химически реагировать с железом, что делает алмаз нежелательным для обработки стали.

Поэтому ученые и исследователи давно ищут сверхтвердый материал, обладающий лучшей химической стабильностью. В 2009 году исследователи, работавшие в сотрудничестве из Шанхайского университета Цзяо Тонг и Университета Невады, заявили, что нашли два материала, которые могут победить алмаз в его собственной игре!

Две предложенные потенциальные претендентки на самое твёрдое вещество были: Нитрид бора вюрцита (w-BN) и Лонсдейлит.

Вюрцит нитрид бора (w-BN)

Вюрцит нитрид бора (w-BN) имеет структуру, аналогичную структуре алмаза, но он состоит из атомов бора и азота, а также углерода. Вюрцит нитрид бора чрезвычайно редок и может быть обнаружен только после определенного типа извержения вулкана. Проведенное исследователями в 2009 году моделирование гексагональной структуры w-BN показало, что она на 18% тверже стали. Кроме того, w-BN химически более стабилен, чем алмаз при высоких температурах.

Лонсдейлит

Лонсдейлит состоит только из атомов углерода, как и алмаз, хотя и с другой структурой. И угадайте, что… лонсдейлит даже сильнее, чем w-BN! Интересно, что лонсдейлит — это космическое вещество, которое получается, когда богатый графитом метеорит ударяется о Землю. Моделирование вдавливания показало, что лонсдейлит на 58% прочнее алмаза, что делает лонсдейлит самым твердым веществом на Земле.

Подождите, есть загвоздка .

Однако в этих утверждениях о том, что w-BN и лонсдейлит сильнее алмаза, есть загвоздка. Эти утверждения основаны на программе моделирования, запущенной на компьютере, а не на физической проверке. Поскольку эти элементы чрезвычайно трудно найти, они еще не прошли физических испытаний для определения их твердости.

Тем не менее их моделирование предполагает, что эти более твердые, чем алмаз, материалы обладают хорошей термической и химической стабильностью; если мы сможем синтетически производить их в достаточно больших количествах, они могут оказаться переломными. Их можно было использовать как мощные фрезы, помещая их поверх других режущих инструментов. Кроме того, их стабильность при более высоких температурах сделала бы их полезными в космических полетах к Венере или Меркурию, которые имеют обжигающе высокие температуры.

Что ж, алмаз может теоретически потерять свою корону самого твердого материала, но он всегда останется королем драгоценных камней. Более того, утверждение о том, что лонсдейлит является самым твердым веществом, еще не подтверждено физически.

Источник

Самые прочные металлы в мире: топ-10

Можете ли вы представить, что произошло, если бы наши предки не обнаружили важные металлы, такие как серебро, золото, медь и железо? Наверное, мы бы до сих пор жили в хижинах, используя камень в качестве основного инструмента. Именно крепость металла сыграла важную роль в формировании нашего прошлого и теперь работают как основа, на которой мы строим будущее.

Некоторые из них очень мягкие и буквально тают в руках, как самый активный металл в мире. Другие — настолько твердые, что их невозможно согнуть, поцарапать или сломать без применения спецсредств.

А если вам интересно, какие металлы самые твердые и прочные в мире, мы ответим на этот вопрос, учитывая различные оценки относительной твердости материалов (шкала Мооса, метод Бринелля), а также такие параметры как:

• Модуль Юнга: учитывает эластичность элемента при растяжении, то есть способность объекта к сопротивлению при упругой деформации.
• Предел текучести: определяет максимальный предел прочности материала, после которого он начинает проявлять пластичное поведение.
• Предел прочности при растяжении: предельное механическое напряжение, после которого материал начинает разрушаться.

10. Тантал

У этого металла сразу три достоинства: он прочный, плотный и очень устойчив к коррозии. Кроме того, этот элемент относится к группе тугоплавких металлов, таких как вольфрам. Чтобы расплавить тантал вам придется развести огонь температурой 3 017 °C.

Тантал в основном используется в секторе электроники для производства долговечных, сверхмощных конденсаторов для телефонов, домашних компьютеров, камер и даже для электронных устройств в автомобилях.

9. Бериллий

А вот к этому металлическому красавцу лучше не приближаться без средств защиты. Потому что бериллий высокотоксичен, и обладает канцерогенным и аллергическим действием. Если вдыхать воздух, содержащий пыль или пары бериллия, то возникнет заболевание бериллиоз, поражающее легкие.

Однако бериллий несет не только вред, но и благо. Например, добавьте всего 0,5 % бериллия в сталь и получите пружины, которые будут упругими даже если довести их до температуры красного каления. Они выдерживают миллиарды циклов нагрузки.

Бериллий применяют в аэрокосмической промышленности для создания тепловых экранов и систем наведения, для создания огнеупорных материалов. И даже вакуумная труба Большого Адронного Коллайдера сделана из бериллия.

8. Уран

Это естественное радиоактивное вещество очень широко распространено в земной коре, но сконцентрировано в определенных твердых скальных образованиях.

Один из самых твердых металлов в мире имеет два коммерчески значимых применения — ядерное оружие и ядерные реакторы. Таким образом, конечной продукцией урановой промышленности являются бомбы и радиоактивные отходы.

7. Железо и сталь

Как чистое вещество железо не такое твердое по сравнению с другими участниками рейтинга. Но из-за минимальных затрат на добычу оно часто комбинируется с другими элементами для производства стали.

Сталь — это очень прочный сплав из железа и других элементов, таких как углерод. Это наиболее часто используемый материал в строительстве, машиностроении и других отраслях промышленности. И даже если вы не имеете к ним никакого отношения, то все равно используете сталь каждый раз, когда режете продукты ножом (если он, конечно, не керамический).

6. Титан

Титан — это практически синоним прочности. Он обладает впечатляющей удельной прочностью (30-35 км), что почти вдвое выше, чем аналогичная характеристика легированных сталей.

Будучи тугоплавким металлом, титан обладает высокой устойчивостью к нагреву и истиранию, поэтому является одним из самых популярным сплавов. Например, он может быть легирован железом и углеродом.

Если вам нужна очень твердая и при этом очень легкая конструкция, то лучше чем титан металла не найти. Это делает его выбором номер один для создания различных деталей в авиа- и ракетостроении и судостроении.

5. Рений

Это очень редкий и дорогой металл, который хотя и встречается в природе в чистом виде, обычно идет «довеском»-примесью к молибдениту.

Если бы костюм Железного человека был сделан из рения, он мог бы выдержать температуру в 2000 ° C без потери прочности. О том, что стало бы с самим Железным человеком внутри костюма после такого «фаер-шоу» мы умолчим.

Россия — третья страна в мире по природным запасам рения. Этот металл используется в нефтехимической промышленности, электронике и электротехнике, а также для создания двигателей самолетов и ракет.

4. Хром

По шкале Мооса, которая измеряет устойчивость химических элементов к царапинам, хром находится в пятерке лучших, уступая лишь бору, алмазу и вольфраму.

Хром ценится за высокую коррозионную стойкость и твердость. С ним легче обращаться, чем с металлами платиновой группы, к тому же он более распространен, поэтому хром является популярным элементом, используемым в сплавах, таких, как нержавеющая сталь.

А еще один из прочнейших металлов на Земле используется при создании диетических добавок. Конечно, вы будете принимать внутрь не чистый хром, а его пищевое соединение с другими веществами (например, пиколинат хрома).

3. Иридий

Как и его «собрат» осмий, иридий относится к металлам платиновой группы, и по внешнему виду напоминает платину. Он очень твердый и тугоплавкий. Чтобы расплавить иридий, вам придется развести костер температурой выше 2000 °C.

Иридий считается одним из самых тяжелых металлов на Земле, а также одним из самых устойчивых к коррозии элементов.

2. Осмий

Этот «крепкий орешек» в мире металлов относится к платиновой группе и обладает высокой плотностью. Фактически это самый плотный природный элемент на Земле (22,61 г/см3). По этой же причине осмий не плавится до 3033 ° C.

Когда он легирован другими металлами платиновой группы (такими как иридий, платина и палладий), он может использоваться во многих различных областях, где необходимы твердость и долговечность. Например, для создания емкостей для хранения ядерных отходов.

1. Вольфрам

Самый прочный металл, который только есть в природе. Этот редкий химический элемент также самый тугоплавкий из металлов (3422 ° C).

Впервые он был обнаружен в форме кислоты (триоксида вольфрама) в 1781 году шведским химиком Карлом Шееле. Дальнейшие исследования привели двух испанских ученых — Хуана Хосе и Фаусто д’Эльхуяра — к открытию кислоты из минерала вольфрамита, из которого они впоследствии изолировали вольфрам с помощью древесного угля.

Помимо широкого применения в лампах накаливания, способность вольфрама работать в условиях сильной жары делает его одним из наиболее привлекательных элементов для оружейной промышленности. Во время Второй мировой войны этот металл сыграл важную роль в инициировании экономических и политических отношений между европейскими странами.

Вольфрам также используется для изготовления твердых сплавов, а в аэрокосмической промышленности — для изготовления ракетных сопел.

Таблица предела прочности металлов

Сплавы против металлов

Сплавы представляют собой комбинации металлов, и основной причиной их создания является получение более прочного материала. Наиболее важным сплавом является сталь, которая представляет собой комбинацию железа и углерода.

Чем выше прочность сплава — тем лучше. И обычная сталь тут не является «чемпионом». Особенно перспективными представляются металлургам сплавы на основе ванадиевой стали: несколько компаний выпускают варианты с пределом прочности до 5205 МПа.

А самым прочным и твердым из биосовместимых материалов на данный момент является сплав титана с золотом β-Ti3Au.

Источник