Carbon là một trong những nguyên tố tuyệt vời nhất trong tự nhiên, với các đặc tính hóa học và vật lý khác biệt so với các nguyên tố khác. Carbon có khối lượng nguyên tử nhẹ nhất chỉ với 6 proton trong hạt nhân, có khả năng tạo thành các liên kết hóa học phức tạp. Bởi vì nguyên tử carbon có khả năng kết hợp với tối đa bốn nguyên tử khác nhau, nên tất cả các hình thái sống đều dựa trên carbon.
Cacbon cũng có thể liên kết với các nguyên tố cacbon khác dưới điều kiện áp suất cao để hình thành cấu trúc mạng tinh thể ổn định. Nếu có điều kiện thuận lợi, các nguyên tử cacbon cũng có thể tạo thành kim cương – một cấu trúc rất bền và cực kỳ cứng.
Tồn tại 6 loại nguyên liệu vượt trội hơn cả kim cương, mặc dù kim cương được biết đến là loại vật liệu cứng nhất trên thế giới. Tuy nhiên, kim cương vẫn là một trong những nguyên liệu tự nhiên cứng nhất trên Trái đất và thật khó để so sánh với sáu nguyên liệu này.
Về nhiều khía cạnh, tồn tại ba chất trên Trái đất không có độ cứng bằng kim cương tuy nhiên vẫn đáng kể để nhắc đến bởi chúng hoạt động hiệu quả. Hiện nay, với sự tiến bộ của công nghệ nano và hiểu biết sâu hơn về các vật liệu hiện đại ở quy mô nano, chúng ta nhận thấy rằng có nhiều phương pháp đo lường có thể được áp dụng để đánh giá các đặc tính của những vật liệu cực đoan này.
Bắt đầu với môn sinh học, hãy quan sát sợi tơ nhện. Dù có vẻ mong manh nhưng sức mạnh của nó lại vượt trội hơn rất nhiều so với các vật liệu thông thường như nhôm và sắt. Ngoài ra, sợi tơ nhện cũng rất mỏng và dính. Sợi tơ của loài nhện vỏ cây Darwin được xem là mạnh nhất trong tất cả các loài nhện trên thế giới, mạnh hơn gấp 10 lần so với sợi Kevlar tổng hợp.
Từ năm 1893, các hạt silic cacbua đã được sản xuất trên quy mô lớn. Moissanite, một chất tự nhiên khác, cũng được biết đến là silic cacbua và chỉ cứng hơn kim cương một chút. Vì silicon và carbon thuộc cùng một họ nguyên tố, nên chúng có thể kết hợp để tạo thành vật liệu cực kỳ cứng ở áp suất cao và nhiệt độ tương đối thấp thông qua một quá trình được gọi là thiêu kết.
Chúng không chỉ thích hợp với nhiều tình huống yêu cầu độ cứng cao như hệ thống phanh, hộp số, vật liệu bảo vệ, phương tiện quân sự, vv. Mà còn có đặc tính bán dẫn xuất sắc. Vì vậy, chúng cũng đóng vai trò quan trọng trong sản xuất các linh kiện điện tử.
Khoảng 20 năm trước, các chuyên gia khoa học đã tạo ra những viên bi silicon có kích thước từ 2 nanomet đến 50 nanomet. Điều đáng ngạc nhiên là những viên bi này không có bên trong và có thể tự lắp ráp thành những viên bi khác, cũng như có thể xếp chồng vào nhau. Đây cũng là một trong những loại vật liệu cứng nhất mà con người biết đến, chỉ kém kim cương một chút về độ cứng.
Một công cụ rất mạnh mẽ trong tự nhiên là quá trình tự tổng hợp, tuy nhiên, vật liệu sinh học chưa bằng vật liệu tổng hợp trong mặt này. Các hạt nano tự tổng hợp này có thể được sử dụng để sản xuất các vật liệu tùy chỉnh như bộ lọc nước có hiệu quả cao hơn, pin mặt trời tốt hơn, chất xúc tác nhanh hơn hoặc thiết bị điện tử. Tuy nhiên, ứng dụng lý tưởng nhất là bộ áo giáp được “may đo” theo cơ thể người sử dụng. Quá trình tự tổng hợp là một công cụ rất mạnh mẽ trong tự nhiên.
Vật liệu có độ cứng cao nổi tiếng nhất
Kim cương là loại vật liệu có độ cứng tối đa, không có vật liệu nào trên thế giới có thể sánh bằng nó. Trong số tất cả các vật liệu được tìm thấy hoặc tạo ra trên Trái đất, kim cương được xếp thứ bảy về độ cứng. Mặc dù đã có một số vật liệu tự nhiên và chất tổng hợp vượt trội kim cương về độ cứng, nhưng trong đầu nhiều người, kim cương vẫn là chất liệu có độ cứng cao nhất.
Tuy nhiên, có sáu loại vật liệu vượt qua độ cứng của kim cương.
Số 6, Wurtzite boron nitride
Boron nitride là một trong số nhiều phân tử hoặc hợp chất khác có thể tạo thành tinh thể ngoài carbon. Khi boron và nitơ kết hợp với nhau, chúng có thể tạo ra nhiều hợp chất khác nhau, bao gồm chất rắn không có hình dạng xác định, hệ tinh thể lục phương (giống như than chì), hệ tinh thể lập phương (giống như kim cương, nhưng có cấu trúc kém hơn một chút về sức mạnh), và wurtzite. Boron và nitơ lần lượt chiếm vị trí thứ năm và thứ bảy trong bảng tuần hoàn.
Hình thức cực đoan nhất và rất cứng là loại cuối cùng trong danh sách. Chất liệu này được hình thành trong quá trình phun trào núi lửa và cho đến nay, chỉ tìm thấy rất ít. Hiện nay, các nhà khoa học không thể thử nghiệm độ cứng của nó. Tuy nhiên, các mô phỏng mới đây cho thấy nó có thể tạo thành một cấu trúc cứng hơn kim cương 18%.
Số 5, Lonsdaleit
Trong ảnh là hai viên kim cương được thu hồi từ miệng núi lửa Popigai. Bên trái là kim cương nguyên chất, bên phải là hỗn hợp kim cương và một lượng nhỏ Lonsdaleit. Nếu có bất kỳ viên đá Lonsdaleit không lẫn tạp chất nào, độ bền và độ cứng của nó sẽ tốt hơn kim cương nguyên chất nhiều lần.
Tinh thể kim cương và tinh thể Lonsdaleit thuộc hai hệ tinh thể khác nhau, lập phương và lục giác. Lonsdaleit có thành phần giống như kim cương nhưng có khả năng cứng hơn kim cương lên tới 58%, được gọi là kim cưng lục phương. Nó được hình thành từ các thiên thạch chứa than chì va vào Trái Đất. Sự va chạm đã biến đổi than chì thành kim cương, nhưng cấu trúc ô mạng tinh thể lục phương của than chì vẫn được bảo tồn. Lonsdaleit được phát hiện lần đầu tiên trong thiên thạch Canyon Diablo năm 1967, các tinh thể rất nhỏ liên quan đến kim cương.
Số 4, Dyneema
Dyneema là một loại polyme polyetylen nhiệt dẻo có trọng lượng phân tử rất lớn. Chuỗi phân tử của polyetylen có khối lượng phân tử siêu cao, độ dài cực kỳ dài và mỗi phân tử có thể nặng hàng chục triệu đơn vị khối lượng nguyên tử. Trái ngược với hầu hết các phân tử chúng ta biết, chỉ có vài nghìn đơn vị khối lượng nguyên tử.
Sự tương tác giữa các phân tử sẽ được cải thiện đáng kể với một chuỗi phân tử dài như vậy. Vật liệu này có độ bền va đập cao nhất trong tất cả các loại nhựa nhiệt dẻo đã được biết đến, được coi là vật liệu sợi mạnh nhất trên thế giới, vượt trội hơn tất cả các loại dây buộc và dây kéo trên thị trường, nhẹ hơn nước và có khả năng chống đạn trong thực tế.
Số 3, Thủy tinh siêu nhỏ palladium
Tính chất quan trọng của tất cả các vật liệu vật lý là sức chịu đựng và đàn hồi. Sức chịu đựng là lực cần thiết để thay đổi hình dạng của vật liệu, trong khi độ đàn hồi là lực cần thiết để làm vật liệu gãy hoặc vỡ. Hầu hết các vật liệu gốm sứ có sức chịu đựng cao nhưng độ đàn hồi thấp, vì vậy chúng dễ bị vỡ nếu bị kẹp quá chặt hoặc vô tình rơi. Trong khi đó, các vật liệu đàn hồi như cao su không dễ gãy nhưng lại dễ biến dạng và có độ cứng rất thấp.
Đặc tính chung của hầu hết các vật liệu thủy tinh là độ bền cao và độ dẻo dai thấp, làm chúng dễ vỡ. Ngay cả kính Pyrex hoặc kính Corning, được coi là kính cường lực, cũng không đủ cứng như loại vật liệu mới được phát minh vào năm 2011. Loại thủy tinh vi mô mới này chứa 5 nguyên tố phốt pho, silicon, germani, bạc và palladium. Palladium có thể tạo ra các dải cắt, giúp thủy tinh bền độ dẻo dai khi bị tác động mà không bị phá vỡ trực tiếp. Vật liệu này có độ bền và độ dẻo dai cực cao, đánh bại được mọi loại thép và thủy tinh hiện có. Đây cũng là vật liệu không chứa carbon cứng nhất trên thế giới.
Số 2, Buckypaper
Một loại vật liệu được gọi là ống nano carbon đã được biết đến là ”cứng hơn kim cương” kể từ cuối thế kỷ 20. Vật liệu này thuộc hệ tinh thể lục giác, cấu trúc tổng thể có hình dạng elip và đặc tính ổn định tốt hơn so với bất kỳ cấu trúc nào mà con người biết đến. Khi kết hợp một số lượng lớn các ống nano carbon vào một bề mặt phẳng, ta có thể tạo ra loại giấy mỏng được gọi là buckypaper.
Cấu trúc cứng tương đương được gọi là buckyball, được hình thành bởi 60 nguyên tử carbon nối với nhau, cũng là một loại tài nguyên tự nhiên có thể xuất hiện trong một số môi trường vũ trụ đặc biệt. Dù đã được sử dụng trong lĩnh vực nano, nhưng hiện tại, sản lượng của buckyball vẫn chưa đạt định lượng và tạm thời chưa thể hiện được sức mạnh của nó ở quy mô lớn, vì vậy nó không được liệt kê trong danh sách này. Ngoại trừ buckypaper, cũng có.
Mỗi ống nano tạo thành buckypaper có đường kính từ 2 đến 4 nanomet nhưng cấu trúc rất vững chắc, cho phép kết hợp thành các tấm vật liệu có diện tích lớn hơn. Nó có khối lượng chỉ bằng 10% thép nhưng lại cứng hơn hàng trăm lần. Vật liệu này cũng có khả năng chống cháy, hiệu quả dẫn nhiệt cao, khả năng che chắn điện từ vượt trội và tiềm năng sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực khoa học vật liệu, linh kiện điện tử, quân sự và thậm chí cả lĩnh vực sinh học để đánh giá.
Số 1, Graphene
Cấu trúc mạng sáu cạnh bao gồm các nguyên tử cacbon – graphene, chỉ dày một nguyên tử, cuối cùng hãy xem xét. Vảy graphene được dự đoán sẽ trở thành vật liệu tiên tiến nhất của thế kỷ 21, sau khi được sản xuất thành công. Graphene thực sự là thành phần cấu trúc cơ bản nhất của ống nano carbon và có rất nhiều trường hợp ứng dụng.
Vật liệu có độ bền cao nhất được biết đến là graphene, có khả năng dẫn nhiệt và dẫn điện rất tốt, đồng thời có độ truyền ánh sáng lên tới gần 100% ở cùng độ dày. Andrei Geim và Konstantin Novoselov đã được vinh danh bằng Giải Nobel Vật lý năm 2010 vì thành công trong các thí nghiệm trên vật liệu này. Hiện nay, graphene vẫn là một trong những vật liệu mỏng nhất được biết đến. Điều đáng ngạc nhiên là Geim và Novoselov chỉ mất sáu năm để từ nghiên cứu thành công đến nhận giải thưởng, đây là một trong những kỷ lục nhanh nhất trong lĩnh vực vật lý.
Https://genk.Vn/di-tim-vat-lieu-cung-nhat-tren-trai-dat-kim-cuong-khong-co-cua-trong-top-5-20220324111741895.Chn.
Tôi là Nguyễn Văn Sỹ có 15 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực thiết kế, thi công đồ nội thất; với niềm đam mê và yêu nghề tôi đã tạo ra những thiết kếtuyệt vời trong phòng khách, phòng bếp, phòng ngủ, sân vườn… Ngoài ra với khả năng nghiên cứu, tìm tòi học hỏi các kiến thức đời sống xã hội và sự kiện, tôi đã đưa ra những kiến thức bổ ích tại website nhaxinhplaza.vn. Hy vọng những kiến thức mà tôi chia sẻ này sẽ giúp ích cho bạn!