Топ-25: самые прочные и твердые материалы, известные науке

Окружающий нас мир таит в себе еще множество загадок, но даже давно известные ученым явления и вещества не перестают удивлять и восторгать. Мы любуемся яркими красками, наслаждаемся вкусами и используем свойства всевозможных веществ, делающих нашу жизнь комфортнее, безопаснее и приятнее. В поисках самых надежных и крепких материалов человек совершил немало восторгающих открытий, и перед вами подборка как раз из 25 таких уникальных соединений!

25. Алмазы

Фото: pixabay

Об этом точно знают если не все, то почти все. Алмазы — это не только одни из самых почитаемых драгоценных камней, но и один из самых твердых минералов на Земле. По шкале Мооса (шкала твёрдости, в которой оценка дается по реакции минерала на царапание) алмаз числится на 10 строчке. Всего в шкале 10 позиций, и 10-ая — последняя и самая твердая степень. Алмазы такие твердые, что поцарапать их можно разве что другими алмазами.

24. Ловчие сети паука вида Caerostris darwini

Фото: pixabay

В это сложно поверить, но сеть паука Caerostris darwini (или паук Дарвина) крепче стали и тверже кевлара. Эту паутину признали самым твердым биологическим материалом в мире, хотя сейчас у нее уже появился потенциальный конкурент, но данные еще не подтверждены. Паучье волокно проверили на такие характеристики, как разрушающая деформация, ударная вязкость, предел прочности и модуль Юнга (свойство материала сопротивляться растяжению, сжатию при упругой деформации), и по всем этим показателям паутина проявила себя удивительнейшим образом. Вдобавок ловчая сеть паука Дарвина невероятно легкая. Например, если волокном Caerostris darwini обернуть нашу планету, вес такой длинной нити составит всего 500 граммов. Таких длинных сетей не существует, но теоретические подсчеты просто поражают!

23. Аэрографит

Фото: BrokenSphere

Эта синтетическая пена — один из самых легких волокнистых материалов в мире, и она представляет собой сеть углеродных трубочек диаметром всего в несколько микронов. Аэрографит в 75 раз легче пенопласта, но при этом намного прочнее и пластичнее. Его можно сжать до размеров, в 30 раз меньших первоначального вида, без какого-либо вреда для его чрезвычайно эластичной структуры. Благодаря этому свойству аэрографитная пена может выдержать нагрузку, в 40 000 раз превышающую ее собственный вес.

22. Палладиевое металлическое стекло

Фото: pixabay

Команда ученых их Калифорнийского технического института и Лаборатории Беркли (California Institute of Technology, Berkeley Lab) разработала новый вид металлического стекла, совместивший в себе практически идеальную комбинацию прочности и пластичности. Причина уникальности нового материала кроется в том, что его химическая структура успешно скрадывает хрупкость существующих стеклообразных материалов и при этом сохраняет высокий порог выносливости, что в итоге значительно увеличивает усталостную прочность этой синтетической структуры.

21. Карбид вольфрама

Фото: pixabay

Карбид вольфрама — это невероятно твердый материал, обладающий высокой износостойкостью. В определенных условиях это соединение считается очень хрупким, но под большой нагрузкой оно показывает уникальные пластические свойства, проявляющиеся в виде полос скольжения. Благодаря всем этим качествам карбид вольфрама используется в изготовлении бронебойных наконечников и различного оборудования, включая всевозможные резцы, абразивные диски, свёрла, фрезы, долота для бурения и другие режущие инструменты.

20. Карбид кремния

Фото: Tiia Monto

Карбид кремния — один из основных материалов, используемых для производства боевых танков. Это соединение известно своей низкой стоимостью, выдающейся тугоплавкостью и высокой твердостью, и поэтому оно часто используется в изготовлении оборудования или снаряжения, которое должно отражать пули, разрезать или шлифовать другие прочные материалы. Из карбида кремния получаются отличные абразивы, полупроводники и даже вставки в ювелирные украшения, имитирующие алмазы.

19. Кубический нитрид бора

Фото: wiki commons

Кубический нитрид бора — это сверхтвердый материал, по своей твердости схожий с алмазом, но обладающий и рядом отличительных преимуществ — высокой температурной устойчивости и химической стойкости. Кубический нитрид бора не растворяется в железе и никеле даже под воздействием высоких температур, в то время как алмаз в таких же условиях вступает в химические реакции достаточно быстро. На деле это выгодно для его использования в промышленных шлифовальных инструментах.

18. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности (СВМПЭ), марка волокон «Дайнима» (Dyneema)

Фото: Justsail

Полиэтилен с высоким модулем упругости обладает чрезвычайно высокой износостойкостью, низким коэффициентом трения и высокой вязкостью разрушения (низкотемпературная надёжность). Сегодня его считают самым прочным волокнистым веществом в мире. Самое удивительное в этом полиэтилене то, что он легче воды и одновременно может останавливать пули! Тросы и канаты из волокон Дайнима не тонут в воде, не нуждаются в смазке и не меняют свои свойства при намокании, что очень актуально для судостроения.

17. Титановые сплавы

Фото: Alchemist-hp (pse-mendelejew.de)

Титановые сплавы невероятно пластичные и демонстрируют удивительную прочность во время растяжения. Вдобавок они обладают высокой жаропрочностью и коррозионной стойкостью, что делает их крайне полезными в таких областях, как авиастроение, ракетостроение, судостроение, химическое, пищевое и транспортное машиностроение.

16. Сплав Liquidl

Фото: pixabay

Разработанный в 2003 году в Калифорнийском техническом институте (California Institute of Technology), этот материал славится своей силой и прочностью. Название соединения ассоциируется с чем-то хрупким и жидким, но при комнатной температуре оно на самом деле необычайно твердое, износостойкое, не боится коррозии и при нагревании трансформируется, как термопласты. Основными сферами применения пока что являются изготовление часов, клюшек для гольфа и покрытий для мобильных телефонов (Vertu, iPhone).

15. Наноцеллюлоза

Фото: pixabay

Наноцеллюлозу выделяют из древесного волокна, и она представляет собой новый вид деревянного материала, который прочнее даже стали! Вдобавок наноцеллюлоза еще и дешевле. Инновация имеет большой потенциал и в будущем может составить серьезную конкуренцию стеклу и углеволокну. Разработчики считают, что этот материал вскоре будет пользоваться большим спросом в производстве армейской брони, супергибких экранов, фильтров, гибких батареек, абсорбирующих аэрогелей и биотоплива.

14. Зубы улиток вида «морское блюдечко»

Фото: pixabay

Ранее мы уже рассказали вам о ловчей сети паука Дарвина, которую некогда признали самым прочным биологическим материалом на планете. Однако недавнее исследование показало, что именно зубы морского блюдечка — наиболее прочная из известных науке биологических субстанций. Да-да, эти зубки прочнее паутины Caerostris darwini. И это неудивительно, ведь крошечные морские создания питаются водорослями, растущими на поверхности суровых скал, и чтобы отделить пищу от горной породы, этим зверькам приходится потрудиться. Ученые полагают, что в будущем мы сможем использовать пример волокнистой структуры зубов морских блюдечек в машиностроительной промышленности и начнем строить автомобили, лодки и даже воздушные суда повышенной прочности, вдохновившись примером простых улиток.

13. Мартенситно-стареющая сталь

Фото: pixabay

Мартенситно-стареющая сталь — это высокопрочный и высоколегированный сплав, обладающий превосходной пластичностью и вязкостью. Материал широко распространен в ракетостроении и используется для изготовления всевозможных инструментов.

12. Осмий

Фото: Periodictableru / www.periodictable.ru

Осмий — невероятно плотный элемент, и благодаря своей твердости и высокой температуре плавления он с трудом поддается механической обработке. Именно поэтому осмий используют там, где долговечность и прочность ценятся больше всего. Сплавы с осмием встречаются в электрических контактах, ракетостроении, военных снарядах, хирургических имплантатах и применяются еще во многих других областях.

11. Кевлар

Фото: wiki commons

Кевлар — это высокопрочное волокно, которое можно встретить в автомобильных шинах, тормозных колодках, кабелях, протезно-ортопедических изделиях, бронежилетах, тканях защитной одежды, судостроении и в деталях беспилотных летательных аппаратов. Материал стал практически синонимом прочности и представляет собой вид пластика с невероятно высокой прочностью и эластичностью. Предел прочности кевлара в 8 раз выше, чем у стального провода, а плавиться он начинает при температуре в 450℃.

10. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности, марка волокон «Спектра» (Spectra)

Фото: Tomas Castelazo, www.tomascastelazo.com / Wiki Commons

СВМПЭ — это по сути очень прочный пластик. Спектра, марка СВМПЭ, — это в свою очередь легкое волокно высочайшей износостойкости, в 10 раз превосходящее по этому показателю сталь. Как и кевлар, спектра используется в изготовлении бронежилетов и защитных шлемов. Наряду с СВМПЭ марки дайнимо спектра популярна в судостроении и транспортной промышленности.

9. Графен

Фото: pixabay

Графен — это аллотропная модификация углерода, и его кристаллическая решетка толщиной всего в один атом настолько прочная, что она в 200 раз тверже стали. Графен с виду похож на пищевую пленку, но порвать его — практически непосильная задача. Чтобы пробить графеновый лист насквозь, вам придется воткнуть в него карандаш, на котором должен будет балансировать груз весом с целый школьный автобус. Удачи!

8. Бумага из углеродных нанотрубок

Фото: pixabay

Благодаря нанотехнологиям ученым удалось сделать бумагу, которая в 50 тысяч раз тоньше человеческого волоса. Листы из углеродных нанотрубок в 10 раз легче стали, но удивительнее всего то, что по прочности они превосходят сталь в целых 500 раз! Макроскопические пластины из нанотрубок наиболее перспективны для изготовления электродов суперконденсаторов.

7. Металлическая микрорешетка

Фото: pixabay

Перед вами самый легкий в мире металл! Металлическая микрорешетка — это синтетический пористый материал, который в 100 раз легче пенопласта. Но пусть его внешний вид не вводит вас в заблуждение, ведь эти микрорешетки заодно и невероятно прочные, благодаря чему они обладают большим потенциалом для использования во всевозможных инженерных областях. Из них можно изготавливать превосходные амортизаторы и тепловые изоляторы, а удивительная способность этого металла сжиматься и возвращаться в своё первоначальное состояние позволяет использовать его для накопления энергии. Металлические микрорешетки также активно применяются в производстве различных деталей для летательных аппаратов американской компании Boeing.

6. Углеродные нанотрубки

Фото: User Mstroeck / en.wikipedia

Выше мы уже рассказывали про сверхпрочные макроскопические пластины из углеродных нанотрубок. Но что же это за материал такой? По сути это свернутые в трубку графеновые плоскости (9-ый пункт). В результате получается невероятно легкий, упругий и прочный материал широкого спектра применения.

5. Аэрографен

Фото: wiki commons

Известный также как графеновый аэрогель, этот материал чрезвычайно легкий и прочный одновременно. В новом виде геля жидкая фаза полностью заменена на газообразную, и он отличается сенсационной твердостью, жаропрочностью, низкой плотностью и низкой теплопроводностью. Невероятно, но графеновый аэрогель в 7 раз легче воздуха! Уникальное соединение способно восстанавливать свою изначальную форму даже после 90% сжатия и может впитывать такое количество масла, которое в 900 раз превышает вес используемого для абсорбции аэрографена. Возможно, в будущем этот класс материалов поможет в борьбе с такими экологическими катастрофами, как разливы нефти.

4. Материал без названия, разработка Массачусетского технологического института (MIT)

Фото: pixabay

Пока вы читаете эти строки, команда ученых из MIT работает над усовершенствованием свойств графена. Исследователи заявили, что им уже удалось преобразовать двумерную структуру этого материала в трехмерную. Новая графеновая субстанция еще не получила своего названия, но уже известно, что ее плотность в 20 раз меньше, чем у стали, а ее прочность в 10 раз выше аналогичной характеристики стали.

3. Карбин

Фото: Smokefoot

Хоть это и всего лишь линейные цепочки атомов углерода, карбин обладает в 2 раза более высоким пределом прочности, чем графен, и он в 3 раза жестче алмаза!

2. Нитрид бора вюрцитной модификации

Фото: pixabay

Это недавно открытое природное вещество формируется во время вулканических извержений, и оно на 18% тверже алмазов. Впрочем, алмазы оно превосходит еще по целому ряду других параметров. Вюрцитный нитрид бора — одна из всего 2 натуральных субстанций, обнаруженных на Земле, которая тверже алмаза. Проблема в том, что таких нитридов в природе очень мало, и поэтому их непросто изучать или применять на практике.

1. Лонсдейлит

Фото: pixabay

Известный также как алмаз гексагональный, лонсдейлит состоит из атомов углерода, но в случае данной модификации атомы располагаются несколько иначе. Как и вюрцитный нитрид бора, лонсдейлит — превосходящая по твердости алмаз природная субстанция. Причем этот удивительный минерал тверже алмаза на целых 58%! Подобно нитриду бора вюрцитной модификации, это соединение встречается крайне редко. Иногда лонсдейлит образуется во время столкновения с Землей метеоритов, в состав которых входит графит.

Перепечатка статей разрешена только при наличии активной индексируемой ссылки на BUGAGA.RU

25 самых крепких известных материалов

Знаете ли вы, какой материал на нашей планете считается самым крепким? Со школы нам всем известно, что алмаз — крепчайший минерал, но он далеко не самый крепкий.

Твёрдость — не главное свойство, которым характеризуется материя. Одни свойства могут мешать появлению царапин, другие — способствовать эластичности. Хотите знать больше? Перед вами рейтинг материалов, которые будет очень сложно разрушить.

Алмаз

Бриллиант во всей своей красе

Классический пример прочности, засевший в учебниках и головах. Его твёрдость означает устойчивость к царапинам. В шкале Мооса (качественная шкала, которая измеряет сопротивление различных минералов) алмаз показывает результат в 10 (шкала идёт от 1 до 10, где 10 — самое твёрдое вещество). Алмаз настолько твёрдый, что другие алмазы должны быть использованы для его резки.

Шёлк паука Дарвина

Паутина, способная остановить аэробус

Этот материал часто упоминается как самое сложное биологическое вещество в мире (хотя это утверждение сейчас оспаривается изобретателями), сеть паука Дарвина сильнее, чем сталь и обладает большим запасом жёсткости, чем кевлар. Её вес не менее замечателен: нить, достаточно длинная, чтобы окружить Землю, весит всего 0,5 кг.

Аэрографит

Аэрографит в обычной посылке

Эта синтетическая пена является одним из самых лёгких строительных материалов в мире. Аэрографит примерно в 75 раз легче пенополистирола (но намного сильнее!). Этот материал может быть спрессован в 30 раз от его первоначального размера без ущерба для его структуры. Ещё один интересный момент: аэрографит может выдержать массу в 40 000 раз больше собственного веса.

Палладиевое микролегированное стекло

Стекло во время краш-теста

Это вещество разработано учёными в Калифорнии. Микролегированное стекло имеет почти совершенное сочетание жёсткости и прочности. Причиной этого является то, что его химическая структура снижает хрупкость стекла, но сохраняет жёсткость палладия.

Карбид вольфрама

Вольфрамовое сверло

Карбид вольфрама невероятно твёрдый и имеет качественно высокую жёсткость, но он довольно хрупкий, его легко можно согнуть.

Карбид кремния

Карбид кремния в виде кристаллов

Этот материал используется в создании брони для боевых танков. Фактически он используется почти во всём, что может защищать от пуль. Он имеет рейтинг твёрдости Мооса 9, а также имеет низкий уровень теплового расширения.

Кубический нитрид бора

Молекулярная структура нитрида бора

Примерно такой же сильный, как алмаз, кубический нитрид бора имеет одно важное преимущество: он нерастворим в никеле и железе при высоких температурах. По этой причине его можно использовать для обработки этих элементов (алмазные формы нитридов с железом и никелем при высоких температурах).

Dyneema

Кабель из Dyneema

Считается самым сильным волокном в мире. Возможно, вас удивит факт: «дайнима» легче воды, но она может остановить пули!

Титановые сплавы

Трубка сплава

Титановые сплавы чрезвычайно гибкие и имеют очень высокую прочность на растяжение, но не имеют такой жёсткости, как стальные сплавы.

Аморфные сплавы

Аморфные металлы легко меняют форму

Liquidl разработан в компании Caltech. Несмотря на название, этот металл не является жидким и при комнатной температуре имеют высокий уровень прочности и износотойкости. При нагревании аморфные сплавы могут менять форму.

Наноцеллюлоза

Будущая бумага может быть тверже алмазов

Это новейшее изобретение создаётся из древесной массы, при этом обладая большей степенью прочности, чем сталь! И гораздо дешевле. Многие учёные считают наноцеллюлозу дешёвой альтернативой палладиевому стеклу и углеродному волокну.

Зубы моллюсков

Раковина блюдца

Ранее мы упоминали, что пауки Дарвина плетут нить одного из самых прочных органических материалов на Земле. Тем не менее зубы морского блюдечка оказались ещё сильнее, чем паутины. Зубы лимпетов чрезвычайно жёсткие. Причина этих удивительных характеристик в назначении: сбор водорослей с поверхности горных пород и кораллов. Учёные считают, что в будущем мы могли бы скопировать волокнистую структуру зубов лимпета и использовать её в автомобильной промышленности, кораблях и даже авиационной индустрии.

Мартенситностареющие стали

Ступень ракеты, в которой многие узлы содержат мартенситностареющие стали

Это вещество сочетает в себе высокий уровень прочности и жёсткости без потери эластичности. Стальные сплавы этого типа находят применение в аэрокосмических и промышленно-производственных технологиях.

Осмий

Кристалл осмия

Осмий чрезвычайно плотен. Его используют при изготовлении вещей, требующих высокого уровня прочности и твёрдости (электрические контакты, ручки для наконечников и т.д.).

Кевлар

Кевларовая каска остановила пулю

Используемый во всём, от барабанов до пуленепробиваемых жилетов, кевлар является синонимом твёрдости. Кевлар — это тип пластика, который обладает чрезвычайно высокой прочностью на растяжение. Фактически она примерно в 8 раз больше, чем у стальной проволоки! Он также может выдерживать температуры около 450 ℃.

Spectra

Трубы из материала Spectra

Высокоэффективный полиэтилен является действительно прочным пластиком. Эта лёгкая, прочная нить может выдерживать невероятное натяжение и в десять раз прочнее стали. Подобно кевлару, Spectra также используется для баллистических устойчивых жилетов, шлемов и бронетехники.

Графен

Гибкий экран из графена

Лист графена (аллотроп углерода) толщиной в один атом в 200 раз сильнее, чем сталь. Хотя графен похож на целлофан, он действительно поражает. Понадобится школьный автобус, балансирующий на карандаше, чтобы проткнуть стандартный лист А1 из этого материала!

Buckypaper

Новая технология, способная перевернуть наше представление о прочности

Эта нанотехнология изготовлена из углеродных труб, которые в 50 000 раз тоньше человеческих волос. Это объясняет, почему он в 10 раз легче, чем сталь, но в 500 раз сильнее.

Металлическая микрорешётка

в сателлитах регулярно применяются сплавы из микрорешётки

Самый лёгкий в мире металл, металлическая микрорешётка также является одним из самых лёгких конструкционных материалов на Земле. Некоторые учёные утверждают, что он в 100 раз легче пенополистирола! Пористый, но чрезвычайно сильный материал, он используется во многих областях техники. Boeing упомянул об использовании его при изготовлении самолётов, в основном в полах, сидениях и стенах.

Углеродные нанотрубки

Модель нанотрубок

Углеродные нанотрубки (УНТ) можно описать как «бесшовные цилиндрические полые волокна», которые состоят из одного скатанного молекулярного листа чистого графита. В результате получается очень лёгкий материал. В наномасштабе углеродные нанотрубки имеют прочность в 200 раз больше, чем у стали.

Аэрографен

Фантастический аэрографен сложно даже описать!

Также известен как графеновый аэрогель. Представьте себе прочность графена в сочетании с невообразимой лёгкостью. Аэрогель в 7 раз легче воздуха! Этот невероятный материал может полностью восстановиться после сжатия в более чем 90% и может поглощать до 900 раз больше собственного веса в масле. Есть надежда, что этот материал можно будет использовать для ликвидации разливов нефти.

Неназванное вещество, находящееся в разработке в Массачусетском технологическом институте

Главный корпус политеха штата Массачусетс

На момент написания этой статьи учёные из Массачусетского технологического института полагали, что они обнаружили секрет максимизации 2-мерной прочности графена в 3-х измерениях. Их пока ещё неназванное вещество может иметь примерно 5% плотности стали, но в 10 раз больше прочности.

Карбин

Молекулярная структура карбина

Несмотря на то что он является единой цепочкой атомов, карбин имеет удвоенную прочность на растяжение от графена и в три раза большую жёсткость, чем алмаз.

Вюрцит нитрид бора

место рождения нитрида бора

Это природное вещество производится в жерле действующих вулканов и на 18% прочнее, чем алмаз. Это одно из двух веществ, встречающихся в природе, которые, как было установлено, в настоящее время превосходят алмазы по твёрдости. Проблема в том, что там не так много этого вещества, и сейчас трудно сказать наверняка, является ли это утверждение на 100% верным.

Лонсдейлит

Метеориты — главные источники лонсдейлита

Также известный как гексагональный алмаз, это вещество состоит из атомов углерода, но они просто расположены по-другому. Наряду с вюрцитом нитридом бора это одно из двух природных веществ тверже алмаза. На самом деле Лондсдейлит 58% тверже! Однако, как и в случае с предыдущим веществом, он находится в относительно малых объёмах. Иногда он возникает, когда графитовые метеориты, сталкиваются с планетой Землёй.

Будущее не за горами, поэтому к концу XXI века можно ожидать появление сверхпрочных и сверхлёгких материалов, которые придут на смену кевлару и алмазам. А пока остаётся только удивляться развитию современных технологий.

Источник

Литература:

1. А.В. Ланцова, Е.В. Санарова, Н.А. Оборотова и др. Разработка технологии получения инъекционной лекарственной формы на основе отечественной субстанции производной индолокарбазола ЛХС-1208 // Российский биотерапевтический журнал. 2014. Т. 13. № 3. С. 25-32.
2. Bangun H., Aulia F., Arianto A., Nainggolan M. Preparation of mucoadhesive gastroretentive drug delivery system of alginate beads containing turmeric extract and anti-gastric ulcer activity. Asian Journal of Pharmaceutical and Clinical Research. 2019; 12(1):316–320. DOI: 10.22159/ajpcr.2019.v12i1.29715.
3. М.П. Киселева, З.С. Шпрах, Л.М. Борисова и др. Доклиническое изучение противоопухолевой активности производного N-гликозида индолокарбазола ЛХС-1208. Сообщение II // Российский биотерапевтический журнал. 2015. № 3. С. 41-47.
4. https://bugaga.ru/interesting/1146763534-top-25-samye-prochnye-i-tverdye-materialy-izvestnye-nauke.html.
5. https://interesnosti.com/1957240797382576799/25-samyh-krepkih-izvestnyh-materialov/.
6. Киржанова Е. А., Хуторянский В. В., Балабушевич Н. Г., Харенко А. В., Демина Н. Б. Методы анализа мукоадгезии: от фундаментальных исследований к практическому применению в разработке лекарственных форм. Разработка и регистрация лекарственных средств. 2014; 3(8): 66–80. DOI: 10.33380/2305-2066-2019-8-4-27-31.