Първо леки и тежки материали. Кой е най-здравият материал в света? Най-издръжливото дърво

Най-лекият материал в света 8 януари 2014 г

Ако следите последните новини в света модерни технологии, тогава този материал няма да е голяма новина за вас. Полезно е обаче да разгледаме по-отблизо най-лекия материал в света и да научим още няколко подробности.

Преди по-малко от година титлата за най-лек материал в света беше дадена на материал, наречен аерографит. Но този материал не успя да задържи дланта за дълго време; наскоро беше поет от друг въглероден материал, наречен графенов аерогел. Създаден от изследователски екип от лабораторията за полимерна наука и технология на университета Zhejiang, ръководен от професор Гао Чао, ултралекият графенов аерогел има плътност малко по-ниска от тази на хелиевия газ и малко по-висока от тази на водородния газ.

Аерогеловете, като клас материали, са разработени и произведени през 1931 г. от инженера и химик Самуел Стивънс Кистлър. Оттогава учени от различни организациипровежда изследвания и разработки на такива материали, въпреки съмнителната им стойност за практическа употреба. Аерогел, състоящ се от многостенни въглеродни нанотръби, наречен "замразен дим" и имащ плътност 4 mg/cm3, загуби титлата си като най- лек материалпрез 2011 г., който премина към метален микрорешетъчен материал с плътност от 0,9 mG/cm3. И година по-късно титлата за най-лек материал премина към въглероден материал, наречен аерографит, чиято плътност е 0,18 mg/cm3.

Новият носител на титлата за най-лек материал, графеновият аерогел, създаден от екипа на професор Чао, има плътност от 0,16 mg/cm3. За да се създаде такъв лек материалучените са използвали един от най-удивителните и тънки материалиднес - графен. Използвайки своя опит в създаването на микроскопични материали като „едноизмерни“ графенови влакна и двуизмерни графенови ленти, екипът реши да добави друго измерение към двете измерения на графена и да създаде обемен порест графенов материал.

Вместо метода за производство на шаблон, който използва разтворителен материал и обикновено се използва за направата на различни аерогелове, китайските учени са използвали метод на сушене чрез замразяване. Сушене чрез замразяване на охлаждащ разтвор, състоящ се от течен пълнители графенови частици, направиха възможно създаването на пореста гъба на базата на въглерод, чиято форма почти напълно повтаряше дадената форма.

„Няма нужда да се използват шаблони; размерът и формата на ултралекия въглероден материал, който създаваме, зависят само от формата и размера на контейнера", казва професор Чао. „Количеството произведен аерогел зависи само от размера на контейнерът, който може да има обем, измерен в хиляди кубични сантиметри.

Полученият графенов аерогел е изключително здрав и еластичен материал. Той може да абсорбира органични материали, включително масло, с тегло 900 пъти повече от собственото си тегло висока скоростабсорбция. Един грам аерогел абсорбира 68,8 грама масло само за една секунда, което го прави привлекателен материал за използване като абсорбент за океанско масло и петролни продукти.

Освен че служи като абсорбент на масло, графеновият аерогел има потенциал за използване в системи за съхранение на енергия, като катализатор за някои химична реакцияи като пълнител за сложни композитни материали.

Лек и издръжлив материал, сходен по тегло с алуминия, но почти 25 пъти по-здрав поради използването на нанотръби от борен нитрид.

Описание:

Нанотръбите от борен нитрид са структурни аналози въглеродни нанотръби. Борен нитрид ( химична формула: BN) е бинарно съединение на бор и азот. Борният нитрид, подобно на въглерода, може да образува листове с дебелина от един атом, които се навиват на цилиндри, за да се създадат нанотръби.

Нанотръби от борен нитрид. Скала – 1 микрометър:

Видове композити:

– нанокомпозити, създадени чрез разпръскване на метал върху нанотръби;

– тънка лента, която прилича на обикновен алуминий, но има вградени наноструктури. Силата на тези конструкции е 50 пъти по-голяма от стоманата.

Предимства на нанотръбите от борен нитрид:

– прави, еластични, разположението им се контролира по-лесно, като се постига еднаква и съответно по-издръжлива текстура на материята;

– В сравнение с въглеродните нанотръби, те са по-стабилни при високи температури;

– може да се използва за екраниране на неутронно и ултравиолетово лъчение;

– имат пиезоелектрични свойства – могат да генерират електрически зарядпри разтягане;

– борният нитрид е химически пасивен, реагира слабо с киселини и разтвори.

Предимства на материала:

– оборудване, направено с използвайки светлинаи издръжлив материал, той ще стане по-лек, като същевременно запази други важни качества;

– намаляване на разхода на гориво при транспортиране на леки и издръжливматериал, увеличаващ обхвата на движение и обемите на превозваните товари.

Може да се използва лек и издръжлив материал:

– в самолетостроенето;

– в машиностроенето;

– V строителстворазлична степен на сложност;

– в биомедицината и др.

В дейността си човек използва различни качествавещества и материали. А тяхната здравина и надеждност не са маловажни. Най-твърдите материали в природата и тези, създадени изкуствено, ще бъдат обсъдени в тази статия.

Общоприет стандарт

За определяне на якостта на материала се използва скалата на Моос - скала за оценка на твърдостта на материала въз основа на реакцията му на надраскване. За обикновения човек най твърд материал- това е диамант. Ще се изненадате, но този минерал е едва някъде на 10-то място сред най-твърдите. Като цяло материалът се счита за свръхтвърд, ако стойностите му са над 40 GPa. Освен това, когато се идентифицира най-твърдият материал в света, трябва да се вземе предвид и естеството на неговия произход. Освен това здравината и издръжливостта често зависят от удара външни факторивърху него.

Най-твърдият материал на Земята

В този раздел ще обърнем внимание на химични съединенияс необичайна кристална структура, които са много по-здрави от диамантите и лесно могат да го надраскат. Ето топ 6 на най-твърдите материали, създадени от човека, започвайки с най-малко твърдите.

• Въглероден нитрид - бор. Това постижение на съвременната химия има индекс на якост от 76 GPa.
• Графен аерогел (аерографен) е материал 7 пъти по-лек от въздуха, който възстановява формата си след 90% компресия. Удивително издръжлив материал, който може да абсорбира до 900 пъти собственото си тегло в течност или дори масло. Този материал се планира да се използва при петролни разливи.
• Графенът е уникално изобретение и най-здравият материал във Вселената. Повече за това по-долу.
• Carbyne е линеен полимер от алотропен въглерод, от който се правят супер тънки (1 атом) и супер здрави тръби. За дълго временикой не е успял да построи такава тръба с дължина повече от 100 атома. Но австрийски учени от Виенския университет успяха да преодолеят тази бариера. Освен това, ако преди това карбинът е бил синтезиран в малки количества и е бил много скъп, днес е възможно да се синтезира в тонове. Това отваря нови хоризонти за космическите технологии и много повече.
• Елбор (кингсонгит, кубонит, боразон) е нано-инженерно съединение, което днес се използва широко в обработката на метали. Твърдост - 108 GPa.

• Фулеритът е най-твърдият материал на Земята, познати на човекаДнес. Силата му от 310 GPa се осигурява от факта, че се състои не от отделни атоми, а от молекули. Тези кристали лесно ще надраскат диамант, както нож би надраскал масло.

Чудото на човешките ръце

Графенът е друго изобретение на човечеството, базирано на алотропни модификации на въглерода. На външен вид - тънък филмдебелина от един атом, но 200 пъти по-здрава от стоманата, с изключителна гъвкавост.

Именно за графена казват, че за да се пробие трябва да има слон на върха на молив. Освен това електропроводимостта му е 100 пъти по-висока от тази на силиция в компютърните чипове. Много скоро той ще напусне лабораторията и ще влезе в вскидневенвиекато слънчеви панели, мобилни телефони и съвременни компютърни чипове.

Два много редки резултата от аномалии в природата

В природата се срещат много редки съединения, които имат невероятна сила.

• Борният нитрид е вещество, чиито кристали имат специфична форма на вюрцит. С прилагането на товари, връзките между атомите в кристална решеткапреразпределени, увеличавайки силата със 75%. Индекс на твърдост - 114 GPa. Това вещество се образува по време на вулканични изригвания, в природата има много малко от него.
• Лонсдейлитът (на главната снимка) е съединение на алотропен въглерод. Материалът е открит в метеоритен кратер и се смята, че се е образувал от графит при експлозивни условия. Индекс на твърдост - 152 GPa. Рядко се среща в природата.

Чудесата на дивата природа

Сред живите същества на нашата планета има такива, които имат нещо много специално.

• Мрежа от Caerostris darwini. Нишката, която произвежда паякът на Дарвин, е по-здрава от стомана и по-твърда от кевлар. Именно тази мрежа са използвали учените от НАСА при разработването на космически защитни костюми.
• Зъбите на мекотелото - тяхната влакнеста структура се изучава днес от биониката. Те са толкова силни, че позволяват на мекотелото да откъсне водорасли, пораснали в камъка.

Желязна бреза

Друго чудо на природата е брезата на Шмид. Дървесината му е най-твърдата от биологичен произход. Расте в Далечния изток в природния резерват Кедровая пад и е включен в Червената книга. Якост, сравнима с желязо и чугун. Но в същото време не е обект на корозия и гниене.

Широкото използване на дърво, което дори куршумите не могат да пробият, е възпрепятствано от изключителната му рядкост.

Най-твърдият метал

Това е синьо-бял метал - хром. Но силата му зависи от неговата чистота. В природата се съдържа 0,02%, което не е никак малко. Извлича се от силикатни скали скали. Метеоритите, които падат на Земята, също съдържат много хром.

Той е устойчив на корозия, топлоустойчив и огнеупорен. Хромът е част от много сплави (хромирана стомана, нихром), които се използват широко в промишлеността и в антикорозионните декоративни покрития.

Заедно сме по-силни

Един метал е добър, но в някои комбинации е възможно да се придадат невероятни свойства на сплавта.

Изключително здрава сплав от титан и злато - единствената здрав материал, за който е установено, че е биосъвместим с живите тъкани. Бета-Ti3Au сплавта е толкова здрава, че не може да се смила в хаванче. Още днес е ясно, че това е бъдещето на различни импланти, изкуствени стави и кости. Освен това може да се прилага в сондажно производство, производство спортна екипировкаи в много други области на нашия живот.

Сплав от паладий, сребро и някои металоиди може да има подобни свойства. Учени от института Caltec в момента работят по този проект.

Бъдеще по $20 за чиле

Кой е най-твърдият материал, който всеки средностатистически човек може да купи днес? Само за $20 можете да закупите 6 метра лента Braeön. От 2017 г. той се продава от производителя Dustin McWilliams. Химичен състави методът на производство се пазят в строга тайна, но качеството му е невероятно.

Абсолютно всичко може да се закрепи с тиксо. За да направите това, трябва да го увиете около частите, които се закрепват, да го загреете с обикновена запалка и да му придадете пластмасов състав необходимата формаи това е всичко. След охлаждане съединението ще издържи натоварване от 1 тон.

И твърди, и меки

През 2017 г. се появи информация за създаването на удивителен материал - най-твърдият и най-мекият едновременно. Този метаматериал е изобретен от учени от Мичиганския университет. Те успяха да се научат как да контролират структурата на материала и да го накарат да проявява различни свойства.

Например, когато се използва за създаване на автомобили, тялото ще бъде твърдо при движение и меко при сблъсък. Тялото абсорбира контактната енергия и предпазва пътника.

Устойчивите материали имат широка гама от приложения.

Във връзка с

Съученици

Има не само най-твърдия метал, но и най-твърдото и издръжливо дърво, както и най-издръжливите изкуствено създадени материали.

Къде се използват най-издръжливите материали?

Издръжливите материали се използват в много области на живота. Така химиците в Ирландия и Америка са разработили технология, чрез която се произвеждат издръжливи текстилни влакна.

Една нишка от този материал има диаметър от петдесет микрометра. Създаден е от десетки милиони нанотръби, които са свързани заедно с помощта на полимер.

Якостта на опън на това електропроводимо влакно е три пъти по-висока от тази на мрежата на кълбовиден паяк. Полученият материал се използва за направата на свръхлеки бронежилетки и спортно оборудване.

Името на друг издръжлив материал е ONNEX, създаден по поръчка на Министерството на отбраната на САЩ. В допълнение към използването му в производството на бронежилетки, новият материал може да се използва и в системи за управление на полета, сензори и двигатели.

Има технология, разработена от учени, благодарение на която чрез трансформация на аерогелове се получават здрави, твърди, прозрачни и леки материали.

Въз основа на тях е възможно да се произвеждат леки бронежилетки, броня за танкове и издръжливи Строителни материали. Учени от Новосибирск са изобретили плазмен реактор на нов принцип, благодарение на който е възможно да се произвеждат нанотубулени - ултраздрави изкуствен материал.

Този материал е открит преди двадесет години. Това е маса с еластична консистенция. Състои се от плексуси, които не се виждат с просто око. Дебелината на стените на тези плексуси е един атом.

Фактът, че атомите изглежда са вложени един в друг според принципа на „руската кукла за гнездене“, прави нанотубулена най-издръжливия материал от всички известни.

Когато този материал се добави към бетон, метал и пластмаса, тяхната здравина и електрическа проводимост значително се подобряват. Нанотубуленът ще помогне да се направят колите и самолетите по-издръжливи. Ако новият материал влезе в широко производство, тогава пътищата, къщите и оборудването могат да станат много издръжливи.

Ще бъде много трудно да ги унищожите. Нанотубуленът все още не е въведен в широко производство поради много високата му цена. Новосибирските учени обаче успяха значително да намалят цената на този материал. Сега нанотубуленът може да се произвежда не в килограми, а в тонове.

Най-твърдият метал

Сред всички известни метали хромът е най-твърдият, но неговата твърдост до голяма степен зависи от неговата чистота. Неговите свойства са устойчивост на корозия, устойчивост на топлина и огнеупорност. Хромът е метал с белезникаво-син оттенък. Твърдостта му по Бринел е 70-90 kgf/cm2.

Самата точка на топене твърд метал– хиляда деветстотин и седем градуса по Целзий с плътност седем хиляди и двеста kg/m3.

Този метал е вътре земната корав размер на 0,02 процента, което е доста. Обикновено се намира под формата на хромова желязна руда. Хромът се добива от силикатни скали.

Този метал се използва в промишлеността, топене на хромирана стомана, нихром и др. Използва се за антикорозионна и декоративни покрития. Каменните метеорити, падащи на Земята, са много богати на хром.

Повечето издръжлива дървесина

Има дърво, което е по-здраво от чугуна и може да се сравни със здравината на желязото. Говорим за „Брезата на Шмид“. Нарича се още Желязна бреза. Човек не познава по-здраво дърво от това. Открит е от руски ботаник на име Шмид, докато е бил в Далечния изток.

Поради тези свойства желязната бреза понякога може да замени метала, тъй като това дърво не е подложено на корозия и гниене. Корпусът на кораб, изработен от желязна бреза, дори не се нуждае от боядисване, корабът няма да бъде унищожен от корозия и също така не се страхува от киселини.

Брезата на Шмид не може да бъде пробита от куршум, не можете да я отсечете с брадва. От всички брези на нашата планета желязната бреза е най-дълголетната - тя живее четиристотин години.

Местообитанието му е природният резерват Кедровая пад. Това е рядък защитен вид, включен в Червената книга. Ако не беше такава рядкост, ултраздравата дървесина на това дърво можеше да се използва навсякъде.

И тук са най-много високи дърветаВ света секвоите не са много издръжлив материал. Но, според uznayvse.ru, те могат да растат до 150 метра височина.

Най-здравият материал във Вселената

Най-издръжливият и в същото време най-лекият материал в нашата вселена е графенът. Това е въглеродна плоча, чиято дебелина е само един атом, но е по-здрава от диаманта, а електрическата проводимост е сто пъти по-висока от силиция на компютърните чипове.

Устойчивите материали имат широка гама от приложения. Има не само най-твърдия метал, но и най-твърдото и издръжливо дърво, както и най-издръжливите изкуствено създадени материали.

Къде се използват най-издръжливите материали?

Якостта на опън на това електропроводимо влакно е три пъти по-висока от тази на мрежата на кълбовиден паяк. Полученият материал се използва за направата на свръхлеки бронежилетки и спортно оборудване. Името на друг издръжлив материал е ONNEX, създаден по поръчка на Министерството на отбраната на САЩ. В допълнение към използването му в производството на бронежилетки, новият материал може да се използва и в системи за управление на полета, сензори и двигатели.

Има технология, разработена от учени, благодарение на която чрез трансформация на аерогелове се получават здрави, твърди, прозрачни и леки материали. Въз основа на тях е възможно да се произвеждат леки бронежилетки, броня за танкове и издръжливи строителни материали.

Учени от Новосибирск са изобретили плазмен реактор на нов принцип, благодарение на който е възможно да се произвежда нанотубулен, свръхздрав изкуствен материал. Този материал е открит преди двадесет години. Това е маса с еластична консистенция. Състои се от плексуси, които не се виждат с просто око. Дебелината на стените на тези плексуси е един атом.

Фактът, че атомите изглежда са вложени един в друг според принципа на „руската кукла за гнездене“, прави нанотубулена най-издръжливия материал от всички известни. Когато този материал се добави към бетон, метал и пластмаса, тяхната здравина и електрическа проводимост значително се подобряват. Нанотубуленът ще помогне да се направят колите и самолетите по-издръжливи. Ако новият материал влезе в широко производство, тогава пътищата, къщите и оборудването могат да станат много издръжливи. Ще бъде много трудно да ги унищожите. Нанотубуленът все още не е въведен в широко производство поради много високата му цена. Новосибирските учени обаче успяха значително да намалят цената на този материал. Сега нанотубуленът може да се произвежда не в килограми, а в тонове.

Най-твърдият метал

Този метал се използва в промишлеността, топене на хромирана стомана, нихром и др. Използва се за антикорозионни и декоративни покрития. Каменните метеорити, падащи на Земята, са много богати на хром.

Най-издръжливото дърво

Дървото е един път и половина по-здраво от чугуна, а якостта му на огъване е приблизително равна на тази на желязото. Поради тези свойства желязната бреза понякога може да замени метала, тъй като това дърво не е подложено на корозия и гниене. Корпусът на кораб, изработен от желязна бреза, дори не се нуждае от боядисване, корабът няма да бъде унищожен от корозия и също така не се страхува от киселини.

Брезата на Шмид не може да бъде пробита от куршум, не можете да я отсечете с брадва. От всички брези на нашата планета желязната бреза е най-дълголетната - тя живее четиристотин години. Местообитанието му е природният резерват Кедровая пад. Това е рядък защитен вид, включен в Червената книга. Ако не беше такава рядкост, ултраздравата дървесина на това дърво можеше да се използва навсякъде.

Но най-високите дървета в света, секвоите, не са много издръжлив материал.

Най-здравият материал във Вселената

Графенът скоро ще напусне научните лаборатории. Всички учени в света днес говорят за неговите уникални свойства. Така че няколко грама материал ще бъдат достатъчни, за да покрият цял ​​футболен терен. Графенът е много гъвкав и може да се сгъва, огъва или навива.

Възможни области на неговото използване: слънчеви панели, мобилни телефони, сензорни екрани, супер бързи компютърни чипове.
Абонирайте се за нашия канал в Yandex.Zen