Bí Xanh, 15h40 18/05/2018

10 vật liệu cứng nhất hành tinh, bất ngờ với vị trí của kim cương

(Xecuatui.vn) - Ai cũng biết rằng kim cương là vật liệu cứng nhất hiện nay, không còn vật liệu nào khác có thể cứng hơn nó nhưng trong thực tế không phải vây. Với công nghệ và kỹ thuật tiên tiến, hiện đại, các nhà khoa học có thể tạo ra các “siêu vật liệu” có độ bền và cứng vượt trội hơn rất nhiều kim cương.

Dưới đây là danh sách 10 vật liệu cứng nhất trên thế giới được xếp theo thứ tự tăng dần về độ cứng:

10. Tơ nhện

Loài nhện Darwin’s Bark (tên khoa học là Caerostris darwini), sinh trưởng trong môi trường tự nhiên ở Madagascar sản sinh ra loại tơ dai và chắc hơn tơ của bất kỳ loài nhện nào khác. Tơ nhện của Darwin’s Bark thậm chí còn dai chắc hơn gấp 10 lần sợi Kevlar – loại vật liệu để làm áo chống đạn, theo như phân tích đối với tơ nhện Darwin’s Bark cho thấy, nó là vật liệu sinh học có độ dai chắc nhất từng được biết đến cho tới nay.

Tơ của loài nhện Darwin’s Bark được coi là vật liệu sinh học cứng chắc nhất, nó còn bền hơn cả thép. (Ảnh: aFamily)

9. Silicon Cacbua

Tên gọi khác là Carborunđum, là một chất của Silic và Carbon có công thức hóa học là SiC. Trong tự nhiên, Silicon Cacbua xuất hiện dưới dạng khoáng chất vô cùng quý hiếm moissanit. Silic cacbua bột đã được sản xuất hàng loạt từ năm 1893 để sử dụng như một chất mài mòn, hạt silic cacbua có thể liên kết với nhau bằng cách thiêu kết để tạo cấu trúc rất cứng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng đòi hỏi độ bền cao, chẳng hạn như hệ thống phanh xe, bộ ly hợp xe và các tấm gốm trong áo chống đạn.

Silicon Cacbua có độ cứng chắc rất cao và đã được sử dụng để tạo nên lớp giáp sắt Chobham của xe tăng. (Ảnh: Wikimedia Commons)

8. Nanospheres/Nano-Kevlar

Kevlar là một dạng của para – aramid, một loại sợi tổng hợp có liên quan đến các aramit như Nomex và Technora, các hạt nano nhỏ bé trong Kevlar có khả năng tự tập hợp và liên kết lại với nhau thành dạng mang lưới. Đây là vật liệu hữu cơ cứng nhất mà con người chế tạo ra từ trước tới nay, chúng được dùng để thiết kế áo bọc giáp, lốp xe đạp và thuyền buồm.

Các hạt nano Kevlar liên kết với nhau dưới dang kết cấu tổ ong. (Ảnh: Pinterest)

7. Kim cương

Kim cương là loại vật liệu tự nhiên cứng nhất trên thế giới có khả năng chống trầy xước cao, tính chất này làm cho kim cương trở thành vật liệu lý tưởng cho việc đánh bóng, cắt, mài mòn các loại vật liệu khác như kính, gương hoặc thậm chí kể cả kim cương khác.

Kim cương là một trong hai dạng thù hình được biết đến nhiều nhất của cacbon (dạng còn lại là than chì), có độ cứng rất cao và khả năng khúc xạ ánh sáng cực tốt làm cho nó có rất nhiều ứng dụng trong cả công nghiệp và ngành kim hoàn.

Kim cương lục. (Ảnh: hostelz.com)

Chúng là vật liệu tốt nhất để tạo ra các bề mặt nhám và chỉ có những viên kim cương khác, những tinh thể cacbon dạng lồng hay ADNR mới có thể cắt kim cương được. Khoảng 150 triệu cara (30.000 kg) kim cương được khai thác mỗi năm với tổng giá trị 10 tỷ USD, ngoài ra khoảng 100.000 kg kim cương hàng năm được điều chế nhân tạo.

6. Wurtzite boron nitride

Đây là vật liệu được tạo ra trong các vụ phun trào núi lửa, Boron nitride là chất chịu nhiệt và cách nhiệt, nó là hợp chất boron và nitơ với công thức hóa học là BN. Do cấu trúc hình lục giác lạ lùng của boron nitride, nên nó có tên là wurtzite boron nitride và theo lý thuyết nó cứng hơn kim cương 18%.

Loại vật liệu này có kết cấu kết nối giữa các nguyên tử theo hình khối, giống như kết cấu nguyên tử ở khối boron nitride và kim cương. Tuy nhiên, sự khác nhau là các nguyên tử của vật liệu này kết nối với nhau ở các góc độ khác nhau.

 

Kích thước của tinh thể Wurtzite boron nitride. (Ảnh: All About Circuits)

Ở mức áp lực như nhau, trong khả năng chịu đựng của kim cương thì các liên kết trong kim cương phản ứng tương tự. Tuy nhiên, wurtzite boron nitride trở nên mạnh hơn đến gần 80% khi bị áp lực cao hơn thế nên việc tạo ra wurtzite boron nitride khá khó khăn.

5. Lonsdaleite

Về cấu trúc, Lonsdaleite cũng là một dạng hình thù của kim cương, gọi là lục giác kim cương vì có cấu trúc tinh thể hình lục giác. Loại vật liệu này được hình thành khi các thiên thạch chứa than chì va chạm với vào Trái Đất, nhiệt độ cao và áp lực của tác động đã biến đổi từ than chì thành kim cương, nhưng vẫn giữ được hình lục giác graphite của mạng tinh thể.

(Ảnh: Scribner Electric, inc.)

Lonsdaleite xuất hiện lần đầu tiên vào năm 1967 từ thiên thạch Canyon Diablo. Nó có màu nâu vàng, chỉ số khúc xạ là 2,40-2,41 cùng trọng lượng riêng là 3,2-3,3. Dựa trên tính toán, nó có cứng hơn 58% so với kim cương.

Cấu trúc của Lonsdaleite. (Ảnh: Alletop10lijstjes)

4. Dyneema

Là loại chất dẻo tổng hợp polythen ở dạng sợi có độ cứng lớn nhất trên thế giới. Với đặc điểm là nhẹ hơn nước (khối lượng riêng của Dyneema là 0.97), nó có thể nổi trên mặt nước. Dyneema cứng hơn thép gấp 15 lần, nó có thể chống được đạn bắn từ xa. Vì vậy, nó được sử dụng để chế tạo vật liệu siêu dẫn, áo giáp chống đạn, kết cấu chống đạn cho ô tô, máy bay,…

(Ảnh: Taringa!)Cấu trúc của vật liệu Dyneema. (Ảnh: CapoVelo.com)

3. Thủy tinh kim loại 

Nghe có vẻ hơi kỳ quặc nhưng thực tế loại vật liệu này có có cả tính chất của thủy tinh và của kim loại. Các nguyên tử kim loại sắp xếp có trật tự hay tinh thể, các nguyên tử trong thủy tinh kim loại ở trạng thái vô định hình, giống như dạng lỏng hoặc thủy tinh. Ở dạng hợp kim tinh thể, các nguyên tử nằm trong vùng gọi là “thớ” và ranh giới giữa các thớ này là một nhược điểm trong vật liệu; tuy nhiên, thủy tinh kim loại bền hơn nhiều do không có những ranh giới như vậy.

(Ảnh: roll.sohu.com)

Nếu ta dùng búa đập một loại kim loại tinh thể, nó sẽ bị lõm do các thớ chịu lực tác động của cú đập và di chuyển dọc ranh giới thớ nhưng chúng sẽ nhanh chóng trở về nguyên trạng ban đầu. Nguyên nhân là do chúng thiếu các thớ tinh thể nên có thể uốn chúng thành các hình dạng khác nhau. Bên cạnh đó, cấu trúc giống chất lỏng nghĩa là chúng tan chảy ở nhiệt độ thấp hơn so với các vật liệu khác và có thể đúc khuôn dễ dàng như chất dẻo.

Vật liệu thủy tinh kim loại quan sát trên hiển vi điện tử. (Ảnh: Nature)

2. Giấy Bucky

Giấy Bucky là vật liệu nano được hình thành từ các phân tử carbon hình ống, vô cùng mỏng ( nó còn mỏng hơn 1 sợi tóc người tới 50.000 lần). Giấy Bucky nhẹ hơn thép 10 lần nhưng lại bền hơn 500 lần so với thép.

Một tờ giấy Bucky trông giống như giấy dùng cho máy đánh chữ carbon kiểu cũ nhưng nó cứng hơn nhiều lần so với khối lượng tương đương của thép. Giấy Bucky cũng có độ dẫn nhiệt tốt và phản xạ quang học thấp.

Giấy Bucky. (Ảnh: PinsDaddy)Độ dày và cấu trúc của giấy Bucky. (Ảnh: Mocnoi.com)

1. Graphen (graphene)

Dẫn đầu về độ cứng trong danh sách là Graphen (hay gọi là graphene). Nó có hình dạng là tấm phẳng dày bằng một lớp nguyên tử của các nguyên tử cacbon với liên kết sp2 hình thành tinh thể dạng tổ ong. Graphen là tên được ghép từ “graphit” (than chì) nối với hậu tố “-en”, có nghĩ là than chì được ghép lại từ nhiều tấm graphen, chiều dài liên kết cacbon-cacbon là 0,142 nm

Graphen là phần tử cấu trúc cơ bản của một số hình thù bao gồm: than chì, ống nano cacbon và fulleren. Muốn chọc thủng một lớp Graphen có độ mỏng như 1 tờ giấy nhựa thông thường thì bạn cần áp lực tương đương với một con voi châu Phi đứng thăng bằng trên 1 cái bút chì.

(Ảnh: ADSLZone)

Kết cấu phân tử của Graphen. (Ảnh: Dignited)