世界上最硬的材料是什么呢?

北京时间,据外媒报道,碳是自然界中最奇妙的元素之一,其化学和物理性质不同于其他元素。 碳的原子核中只有六个质子,是能够形成复杂化学键的最轻元素。 所有已知的生命形式都以碳为基础,因为碳原子一次可以与多达四个原子形成化学键。 在高压下,碳还可以与其他碳原子结合形成稳定的晶格结构。 如果条件合适,碳原子还可以形成一种极其坚固、超硬的结构,称为金刚石。

虽然众所周知钻石是世界上最坚硬的物质,但实际上有六种材料比钻石更好。 当然,钻石仍然是地球上最坚硬的天然材料之一,但很难与这六种材料相提并论。

荣誉奖

地球上有三种物质没有钻石那么硬,但仍然值得一提,因为它们在很多方面都表现出色。 随着纳米技术的发展,加上对纳米尺度现代材料的更好理解,我们现在意识到有多种指标可用于评估这些极端材料的特性。
让我们从生物学开始。 蜘蛛丝虽然很恶心,但其实是一种很结实的材料。 它的强度重量比远远优于铝和铁等传统材料,而且非常薄且具有粘性。 在世界上所有的蜘蛛中,达尔文树皮蜘蛛的丝是最强的,比合成的凯夫拉纤维强 10 倍。 而且这种蜘蛛丝非常薄,仅仅一磅(454克)的丝就足以绕地球一周。
一种称为碳化硅的天然物质(通常以莫桑石的形式)仅比钻石稍硬。 自 1893 年以来,碳化硅颗粒已大规模生产。硅和碳属于同一族元素,并且可以通过称为烧结的过程在高压但相对较低的温度下形成这种极硬的材料。

这些材料不仅适用于各种需要高硬度的场合,如刹车片和离合器、防弹衣、坦克装甲等,而且还具有优异的半导体性能,因此也发挥着重要作用 在电子元件的生产中。 重要角色。
大约 20 年前,科学家首先研制出直径从 2 纳米到 50 纳米不等的纳米硅球。 最令人惊奇的是,这些纳米球是中空的,不仅可以自行组装成球体,还可以相互嵌套。 这也是人类所知道的最硬的材料之一,硬度也仅次于金刚石。

自组装在自然界中是一种极其强大的工具,但与合成材料相比,生物材料在这方面要弱一些。 这些自组装纳米粒子可用于制造定制材料,例如性能更好的滤水器、更高效的太阳能电池、更快的催化剂或下一代电子产品。 但是,最理想的应用场景是根据用户的体型“量身定做”的防弹衣。

最有名的高硬度材料

当然,以上材料都无法与金刚石的硬度相媲美。 在地球上发现或创造的所有材料中,钻石是第七硬的。 虽然一些天然(但非常稀有)材料和合成材料的硬​​度已经超过了钻石,但钻石仍然难以捉摸。

钻石仍然是人类已知的最耐刮擦的材料。 不仅像钛这样的金属与钻石相去甚远,而且即使是极其坚硬的陶瓷或碳化物,在硬度或抗划伤性方面也无法与钻石相提并论。 其他以硬度着称的晶体,如红宝石或蓝宝石,也比不上钻石
但是,有六种材料的硬度已经超过了钻石。

第六种,纤锌矿型氮化硼

除碳外,许多其他原子或化合物也能形成晶体,氮化硼就是其中之一。 硼和氮在元素周期表中分别占据第五位和第七位,这两种元素结合起来创造出各种各样的可能性,包括无定形、六方(类似于石墨)、立方(类似于金刚石,但略有不同)。 结构强度较低)和纤锌矿。

其中,最后一种形式极其极端,但也极其僵硬。 这种物质是在火山喷发过程中形成的,迄今为止只发现了非常少量的物质,因此我们无法通过实验测试它的硬度。 但最新的模拟表明,它可以形成不同类型的晶格结构,即四面体而不是面心立方体,后者比金刚石硬 18%。

第五种, Lansdaleite
图为从波皮格陨石坑中发现的两颗钻石。 左边是纯钻石,右边是钻石和少量兰斯代尔的混合物。 如果有无杂质的灯笼石,它的强度和硬度都会比纯金刚石好。
想象一颗富含碳(因此也是石墨)的陨石石头冲破大气层,与地表相撞。 你可能认为一颗高速下落的陨石由内而外会变得非常热,但实际上只有陨石的外层会变热,而里面的温度还是比较低的。

但是在与地表碰撞的那一刻,陨石内部的压力会超过表面的任何反应过程,导致陨石中的石墨被压缩成另一种晶体结构。 这种新结构不是钻石那样的立方体,而是属于六方晶系,可以比钻石硬58%。 虽然Lansdaleite在实践中经常含有大量杂质,导致硬度低于化石; 但从理论上讲,如果一颗不含杂质且由纯石墨组成的陨石撞击到地表,所得到的材料将比地球上所有的钻石都要坚硬得多。

第四种,强马

从这里,我们离开天然物质的范畴。 Dalimar 是一种具有极高分子量的热塑性聚乙烯聚合物。 我们所知道的大部分分子只有几千个原子质量单位,但超高分子量聚乙烯的分子链极长,一个分子的重量可达几千万个原子质量单位。

有了这么长的分子链,分子间的相互作用会大大增强,所得材料的硬度也不容小觑。 事实上,这种材料在所有已知的热塑性塑料中具有最高的冲击强度,被称为世界上最强的纤维,优于市场上所有的系泊和牵引绳,比水轻,而且防弹,强度高达 15 是同量钢材的几倍。

第三种,钯微合金玻璃
图片是钯金属玻璃变形部分的宏观照片,可以看到大范围的塑性变形。 放大图中的箭头指向发生塑性滑动时剪切位错的痕迹。 钯微合金是结合高强度和高韧性的最著名材料。
所有物理材料都有两个重要的特性:强度和韧性; 强度是指使材料变形所需的力,韧性是指使材料断裂或断裂所需的力。 大部分陶瓷材料强度高,韧性不足,夹得太紧或不慎跌落都容易折断。 橡胶等弹性材料正好相反。 虽然不易折断,但非常容易变形,硬度极低。

大多数玻璃材料易碎,强度高,韧性低。 即使是 Pyrex 或 Corning 玻璃等钢化玻璃本身也不够坚韧。 但在 2011年,研究人员发明了一种新型微合金化玻璃,它含有磷、硅、锗、银、钯五种元素。 其中,钯可形成剪切带,使玻璃在受力时可发生塑性变形而不会直接断裂。 这种材料结合了极高的强度和韧性,轻松击败各种钢材,在这份名单上没有其他材料可以与之匹敌。 简而言之,这是世界上最硬的无碳材料。

第二种,巴克纸

由碳纳米管制成的巴克纸可以阻挡直径为 50 纳米或更大的粒子通过。 它具有独特的物理、化学、电气和机械性能。 虽然它可以折叠或切割,但材料非常坚固。 如果完全不含杂质,其强度可达同体积钢的500倍。 图为扫描电子显微镜下的巴基纸。
20世纪末以来,一种叫做碳纳米管的材料被称为“比金刚石还硬”。 该物质属于六方晶系,整体结构为椭圆形,稳定性优于人类已知的任何结构。 如果你将大量碳纳米管组合成一个平面,你会得到一种叫做巴克纸的薄“纸”。

除了巴基纸,还有一种同样刚性的结构,称为巴基球,由 60 个碳原子结合而成。 巴基球也是一种可以在某些宇宙环境中形成的天然材料。 巴基球虽然已经在纳米领域得到应用,但还没有实现量化生产,暂时还不能在宏观上使用,所以没有被列入这份“最硬材料清单”。

相比之下,构成巴克纸的每根纳米管的直径只有 2 到 4 纳米,但结构非常坚固,可以组合成更大的材料片材。 它的重量只有钢的10%,但强度却是钢的数百倍。 此外,这种材料具有耐火性、导热效率高、电磁屏蔽能力突出等特点。 它在材料科学、电子元件、军事甚至生物领域具有丰富的应用前景。 然而,Buckypaper 不能由 100% 的纳米管组成,因此它没有占据榜首。

第一种,石墨烯
最后我们来看一个由碳原子组成的六方晶格结构——石墨烯,其厚度只有一个原子厚。 一旦成功制备,片状石墨烯有望成为21世纪最具革命性的材料。 石墨烯其实是最基本的碳纳米管基本结构元素具有广泛的应用场景。 该行业的市值目前在数百万美元,但预计在短短几十年内将达到十亿美元的水平。

对于相同的厚度,石墨烯是已知的最强材料,具有无与伦比的导热性和导电性,以及接近 100% 的透光率。 2010 年诺贝尔物理学奖授予了 Andrei Geim 和 Konstantin Novoselov,以表彰他们对石墨烯的实验。 石墨烯的商业应用场景只会越来越多。 到目前为止,石墨烯仍然是我们所知道的最薄的材料。 而Game和Novoselov从研究到获奖只用了6年,这是物理学领域最快的记录之一。
对更硬、更耐刮、更薄、更强的材料的追求永无止境。 如果人类能够进一步推动可用材料的前沿,这些材料的应用场景将不断增加。 几代以前,微电子学、晶体管和操纵单个分子的概念只存在于科幻小说中。 如今,这些技术已经走进寻常百姓家,成为我们习惯的一部分。

随着我们冲入纳米时代,本文所描述的材料对我们的生活质量将变得越来越重要和普遍。 生活在这样的文明中是多么幸福啊。 随着21世纪蓝图的展开,这些新材料的巨大潜力将逐渐变为现实。