Ve svých činnostech člověk využívá různé kvality látek a materiálů. A nedůležitá není ani jejich síla a spolehlivost. Nejtvrdší materiály v přírodě a materiály vytvořené uměle budou probrány v tomto článku.
Běžný standard
K určení pevnosti materiálu se používá Mohsova stupnice - stupnice pro posouzení tvrdosti materiálu podle jeho reakce na poškrábání. Pro laika je nejtvrdším materiálem diamant. Budete se divit, ale tento minerál je až někde na 10. místě mezi nejtvrdšími. V průměru je materiál považován za supertvrdý, pokud jsou jeho hodnoty vyšší než 40 GPa. Navíc při identifikaci nejtvrdšího materiálu na světě je třeba vzít v úvahu také povahu jeho původu. Pevnost a odolnost přitom často závisí na vlivu vnějších faktorů na ni.
Nejtvrdší materiál na Zemi
V této části budeme věnovat pozornost chemickým sloučeninám s neobvyklou krystalickou strukturou, které jsou mnohem pevnější než diamanty a mohou je poškrábat. Pojďme přinésttop 6 nejtvrdších umělých materiálů, počínaje nejméně tvrdým.
- Nitrid uhlíku - bór. Tento úspěch moderní chemie má index pevnosti 76 GPa.
- Graphene aerogel (aerographen) je materiál 7x lehčí než vzduch, který po 90% stlačení obnovuje svůj tvar. Úžasně odolný materiál, který také dokáže absorbovat 900násobek své vlastní hmotnosti v kapalině nebo dokonce oleji. Tento materiál se plánuje použít při únikech ropy.
- Grafen je jedinečný vynález a nejodolnější materiál ve vesmíru. Trochu více o něm níže.
- Carbin je lineární polymer alotropního uhlíku, ze kterého jsou vyrobeny supertenké (1 atom) a superpevné trubky. Takovou trubici o délce větší než 100 atomů dlouho nikdo nedokázal postavit. Ale rakouským vědcům z Vídeňské univerzity se podařilo tuto bariéru překonat. Navíc, pokud se dříve karabina syntetizovala v malých množstvích a byla velmi drahá, dnes je možné ji syntetizovat v tunách. To otevírá nové obzory pro vesmírné technologie i mimo ni.
- Elbor (kingsongit, cubonit, borazon) je nanodesignovaná sloučenina, která je dnes široce používána při zpracování kovů. Tvrdost – 108 GPa.
Fullerit je nejtvrdší materiál na Zemi, který dnes člověk zná. Jeho pevnost 310 GPa je zajištěna tím, že se neskládá z jednotlivých atomů, ale z molekul. Tyto krystaly snadno poškrábou diamant jako nůž na máslo
Zázrak lidských rukou
Grafen je další vynález lidstva založený na alotropních modifikacích uhlíku. Vypadá jako tenký film o tloušťce jednoho atomu, ale 200krát pevnější než ocel, s výjimečnou flexibilitou.
O grafenu se říká, že aby ho slon propíchl, musí stát na špičce tužky. Jeho elektrická vodivost je přitom 100krát vyšší než u křemíku počítačových čipů. Velmi brzy opustí laboratoře a vstoupí do každodenního života v podobě solárních panelů, mobilních telefonů a moderních počítačových čipů.
Dva velmi vzácné výsledky anomálií v přírodě
V přírodě existují velmi vzácné sloučeniny, které mají neuvěřitelnou sílu.
- Nitrid boru je látka, jejíž krystaly mají specifický wurtzitový tvar. Působením zatížení se přerozdělí spojení mezi atomy v krystalové mřížce, čímž se pevnost zvýší o 75 %. Index tvrdosti je 114 GPa. Tato látka vzniká při sopečných erupcích, v přírodě je velmi malá.
- Lonsdaleit (na hlavní fotografii) je alotropní uhlíková sloučenina. Materiál byl nalezen v kráteru po meteoritu a předpokládá se, že vznikl z grafitu za podmínek exploze. Index tvrdosti je 152 GPa. V přírodě se vyskytuje zřídka.
Zázraky divoké zvěře
Mezi živými bytostmi na naší planetě jsou ti, kteří mají něco velmi zvláštního.
- Web of Caaerostis darwini. Vlákno, které Darwinův pavouk vydává, je pevnější než ocel atvrdší než kevlar. Právě tento web uvedli vědci z NASA do provozu při vývoji vesmírných ochranných obleků.
- Zuby škeble Přílipka – jejich vláknitá struktura je nyní studována bionikou. Jsou tak silné, že umožňují měkkýšům odtrhnout řasy, které vrostly do kamene.
Železná bříza
Dalším zázrakem přírody je Schmidtova bříza. Jeho dřevo je nejtvrdším přírodním materiálem biologického původu. Roste na Dálném východě v přírodní rezervaci Kedrovaya Pad a je uveden v Červené knize. Pevnost je srovnatelná s železem a litinou. Nepodléhá však korozi a rozkladu.
Všudypřítomnému použití březového dřeva Schmidt, kterým neproniknou ani střely, brání jeho výjimečná vzácnost.
Nejtvrdší z kovů
Jedná se o modro-bílý kov - chrom. Ale jeho síla závisí na jeho čistotě. V přírodě ho obsahuje 0,02 %, což není vůbec tak málo. Získává se ze silikátových hornin. Meteority padající na Zemi obsahují také hodně chrómu.
Je odolný proti korozi, teplu a žáruvzdorný. Chrom se nachází v mnoha slitinách (chromová ocel, nichrom), které jsou široce používány v průmyslu a v antikorozních dekorativních nátěrech.
Spolu silnější
Jeden kov je dobrý, ale některé kombinace mohou slitině poskytnout úžasné vlastnosti.
Superpevná slitina titanu a zlata je jediným pevným materiálem, který prokázal svou biokompatibilitu s živými tkáněmi. Slitina beta-Ti3Au je tak pevná, že anonelze brousit v hmoždíři. Již dnes je jasné, že toto je budoucnost různých implantátů, umělých kloubů a kostí. Kromě toho jej lze použít na vrtání, sportovní vybavení a mnoho dalších oblastí našeho života.
Slitina palladia, stříbra a některých metaloidů může mít také podobné vlastnosti. Na tomto projektu dnes pracují vědci z C altech Institute.
Budoucnost za 20 $ za přadeno
Jaký nejtvrdší materiál si dnes může kdokoli na ulici koupit? Za pouhých 20 dolarů si můžete koupit 6 metrů pásky Braeön. Od roku 2017 je v prodeji od výrobce Dustin McWilliams. Chemické složení a způsob výroby jsou přísně důvěrné, ale jeho kvality jsou úžasné.
Cokoli lze upevnit páskou. K tomu se musí omotat kolem připevňovaných dílů, zahřát obyčejným zapalovačem, plastická kompozice musí dostat požadovaný tvar a je to. Po vychladnutí spoj vydrží zatížení 1 tuny.
Tvrdé i měkké
V roce 2017 se objevily informace o vytvoření úžasného materiálu - nejtvrdšího a nejměkčího zároveň. Tento metamateriál vynalezli vědci z University of Michigan. Podařilo se jim naučit, jak ovládat strukturu materiálu a přimět jej, aby vykazoval různé vlastnosti.
Například při výrobě automobilů bude karoserie při pohybu tuhá a při kolizi měkká. Tělo absorbuje kontaktní energii a chrání cestující.
