Carbon là một trong những nguyên tố tuyệt vời nhất của tự nhiên, với các đặc tính hóa học và vật lý không giống bất kỳ nguyên tố nào khác. Chỉ với 6 proton trong hạt nhân của nó, cacbon là nguyên tố nhẹ nhất có khả năng hình thành các liên kết hóa học phức tạp. Tất cả các dạng sống đã biết đều dựa trên cacbon, vì các nguyên tử cacbon có thể hình thành liên kết hóa học với tối đa bốn nguyên tử cùng một lúc.
Ở áp suất cao, cacbon cũng có thể kết hợp với các nguyên tử cacbon khác để tạo thành cấu trúc mạng tinh thể ổn định. Nếu các điều kiện thích hợp, các nguyên tử cacbon cũng có thể tạo thành một cấu trúc cực kỳ bền và siêu cứng được gọi là kim cương.
Trong khi kim cương được biết đến là chất cứng nhất trên thế giới, thực tế có 6 vật liệu tốt hơn kim cương. Tất nhiên, kim cương vẫn là một trong những vật liệu tự nhiên cứng nhất trên hành tinh, nhưng thật khó để so sánh với sáu vật liệu này.
Có ba chất trên Trái đất không cứng bằng kim cương, nhưng vẫn đáng được nhắc đến vì chúng hoạt động tốt theo nhiều cách. Với những tiến bộ trong công nghệ nano và sự hiểu biết tốt hơn về các vật liệu hiện đại ở kích thước nano, giờ đây chúng ta nhận ra rằng có rất nhiều thước đo có thể được sử dụng để đánh giá các đặc tính của những vật liệu cực đoan này.
Hãy bắt đầu với sinh học. Tơ nhện, mặc dù nhìn có vẻ mỏng manh nhưng thực chất lại là một chất liệu rất bền. Tỷ lệ sức mạnh trên trọng lượng của nó vượt trội hơn nhiều so với các vật liệu truyền thống như nhôm và sắt, đồng thời rất mỏng và dính. Trong tất cả các loài nhện trên thế giới, nhện vỏ cây của Darwin có tơ mạnh nhất, mạnh hơn gấp 10 lần so với sợi Kevlar tổng hợp.
Một chất tự nhiên khác được gọi là cacbua silic (thường ở dạng moissanite) chỉ cứng hơn kim cương một chút. Các hạt cacbua silic đã được sản xuất hàng loạt từ năm 1893. Silicon và carbon thuộc cùng một họ nguyên tố, và vật liệu cực kỳ cứng này có thể được hình thành ở áp suất cao nhưng nhiệt độ tương đối thấp thông qua một quá trình gọi là thiêu kết.
Những vật liệu này không chỉ thích hợp cho má phanh, ly hợp, giáp thân, giáp xe tăng và nhiều trường hợp khác đòi hỏi độ cứng cao, mà còn có đặc tính bán dẫn tuyệt vời, vì vậy chúng cũng đóng một vai trò quan trọng trong sản xuất. Thành phần điện tử.
Khoảng 20 năm trước, các nhà khoa học lần đầu tiên phát triển các hạt cầu nano silicon có đường kính từ 2 nanomet đến 50 nanomet. Đáng ngạc nhiên nhất, những quả cầu nano này rỗng và không chỉ có thể tự lắp ráp thành hình cầu mà còn có thể khóa vào nhau. Nó cũng là một trong những vật liệu cứng nhất mà con người biết đến, chỉ kém kim cương một chút.
Tự lắp ráp là một công cụ cực kỳ mạnh mẽ trong tự nhiên, nhưng so với vật liệu tổng hợp, vật liệu sinh học yếu hơn về mặt này. Các hạt nano tự lắp ráp này có thể được sử dụng để tạo ra các vật liệu tùy chỉnh như bộ lọc nước hoạt động tốt hơn, pin mặt trời hiệu quả hơn, chất xúc tác hoặc thiết bị điện tử nhanh hơn. Tuy nhiên, kịch bản ứng dụng lý tưởng sẽ là áo giáp được “thiết kế riêng” cho cơ thể người dùng.
Vật liệu có độ cứng cao nổi tiếng nhất
Trên thực tế, không có vật liệu nào ở trên có thể sánh được với độ cứng của kim cương. Trong tất cả các vật liệu được tìm thấy hoặc tạo ra trên Trái đất, kim cương là vật liệu cứng thứ bảy. Trong khi một số vật liệu tự nhiên (nhưng rất hiếm) và tổng hợp đã vượt qua kim cương về độ cứng, thì kim cương vẫn là chất cứng nhất trong suy nghĩ của nhiều người.
Tuy nhiên, có sáu vật liệu cứng hơn kim cương.
No.6, wurtzite boron nitride
Ngoài cacbon, có nhiều nguyên tử hoặc hợp chất khác có thể tạo thành tinh thể và boron nitride là một trong số đó. Boron và nitơ lần lượt chiếm vị trí thứ năm và thứ bảy trong bảng tuần hoàn, và khi hai nguyên tố này kết hợp với nhau, chúng có thể tạo thành nhiều hợp chất khác nhau, bao gồm chất rắn vô định hình, kết tinh lục giác (tương tự như than chì), tinh thể lập phương (tương tự như kim cương, nhưng yếu hơn một chút về cấu trúc) và wurtzite.
Trong số này, dạng cuối cùng là dạng cực đoan nhất và chất liệu cũng rất bền. Chất này được hình thành trong quá trình phun trào núi lửa, và cho đến nay người ta mới chỉ tìm thấy một lượng rất nhỏ nên giới khoa học hiện chưa thể kiểm tra thực nghiệm độ cứng của nó. Nhưng những mô phỏng mới nhất cho thấy nó có thể tạo thành một cấu trúc cứng hơn kim cương 18%.
Số 5, Lonsdale
Trong ảnh ở đây 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 đá Lonsdale. Nếu có đá Lonsdale không lẫn tạp chất sẽ cứng và chắc hơn kim cương nguyên chất gấp nhiều lần.
Những viên kim cương chết thật là những tinh thể lập phương, trong khi đá Lonsdale có hình lục giác, có thành phần tương tự như kim cương nhưng cứng hơn 58% so với kim cương. Vì vậy, Lonsdaleite còn được gọi là kim cương lục giác (một dạng thù hình của cacbon có mạng hình lục giác). Trong tự nhiên, nó được hình thành khi một thiên thạch chứa than chì va vào Trái đất. Sức nóng dữ dội và áp suất của vụ va chạm đã biến graphit thành kim cương, nhưng cấu trúc mạng lục giác của graphit vẫn được bảo toàn. Lonsdaleite lần đầu tiên được phát hiện vào năm 1967 trong thiên thạch Canyon Diablo, có vẻ như chứa các tinh thể rất nhỏ liên kết với kim cương.
Kích thước 4, Dyneema
dyneema là một loại polyme polyetylen nhiệt dẻo có trọng lượng phân tử cực cao. Hầu hết các phân tử mà chúng ta biết chỉ có vài nghìn đơn vị khối lượng nguyên tử, nhưng chuỗi phân tử của polyetylen có khối lượng phân tử siêu cao thì cực kỳ dài, và trọng lượng của một phân tử có thể lên tới hàng chục triệu đơn vị khối lượng nguyên tử.
Với các chuỗi phân tử dài như vậy, tương tác giữa các phân tử được tăng cường đáng kể. Trên thực tế, vật liệu này có độ bền va đập cao nhất trong tất cả các loại nhựa nhiệt dẻo 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.
No.3, Palladium Microglass
Tất cả các vật liệu vật lý đều có hai đặc tính quan trọng: độ bền và độ dẻo dai; độ bền là lực cần thiết để làm biến dạng một vật liệu và độ dẻo dai là lực cần thiết để phá vỡ hoặc phá vỡ một vật liệu. Hầu hết các chất liệu gốm sứ đều có độ bền cao nhưng độ dẻo dai kém và dễ bị vỡ nếu kẹp quá chặt hoặc vô tình làm rơi. Mặt khác, các vật liệu đàn hồi như cao su không giòn, nhưng dễ biến dạng và có độ cứng cực thấp.
Hầu hết các vật liệu thủy tinh đều giòn, có độ bền cao và độ dẻo dai thấp. Ngay cả kính cường lực như kính Pyrex hoặc kính Corning cũng không đủ mạnh như một vật liệu riêng biệt. Nhưng vào năm 2011, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một loại kính siêu nhỏ mới có chứa 5 nguyên tố: phốt pho, silicon, germani, bạc và palladium. Trong số đó, palladium có thể tạo thành một dải cắt, do đó kính sẽ biến dạng dẻo khi va chạm và không bị vỡ trực tiếp. Vật liệu này kết hợp sức mạnh và độ bền cực cao để có thể dễ dàng đánh bại bất kỳ loại thép và thủy tinh nào hiện có, đồng thời là vật liệu không chứa carbon cứng nhất trên thế giới.
Số 2, Giấy Bucky
Kể từ cuối thế kỷ 20, một vật liệu gọi là ống nano carbon đã được gọi là “cứng hơn kim cương”. Chất này thuộc hệ tinh thể lục giác, cấu trúc tổng thể là hình elip, và độ ổn định tốt hơn bất kỳ cấu trúc nào đã biết. Nếu bạn kết hợp một số lượng lớn các ống nano carbon vào một bề mặt phẳng, bạn sẽ có được một loại “giấy” mỏng gọi là buckypaper.
Ngoài buckypaper, còn có một cấu trúc cứng không kém được gọi là buckyball, được làm từ 60 nguyên tử carbon liên kết với nhau. Buckyball cũng là một vật liệu tự nhiên có thể hình thành trong một số môi trường vũ trụ nhất định. Buckyball tuy đã được ứng dụng vào lĩnh vực nano nhưng vẫn chưa đạt được sản lượng định lượng, chưa thể hiện được “tài năng” của mình trên tầm vĩ mô nên không được đưa vào cuốn sách này.
Ngược lại, mỗi ống nano tạo nên buckypaper chỉ có đường kính từ 2 đến 4 nanomet, nhưng rất mạnh để có thể kết hợp thành các tấm vật liệu lớn hơn. Nó chỉ nặng bằng 10% thép, nhưng cứng hơn hàng trăm lần. Ngoài ra, vật liệu này còn có đặc tính chống cháy, dẫn nhiệt cao, khả năng che chắn điện từ vượt trội,… và có triển vọng ứng dụng phong phú trong khoa học vật liệu, linh kiện điện tử, quân sự và thậm chí cả sinh học.
No.1, Graphene
Cuối cùng, hãy xem xét cấu trúc mạng lục giác bao gồm các nguyên tử cacbon – graphene, chỉ dày một nguyên tử. Sau khi điều chế thành công, graphene vảy được kỳ vọng sẽ trở thành vật liệu mang tính cách mạng nhất trong thế kỷ 21. Graphene thực sự là thành phần cấu trúc cơ bản nhất của ống nano carbon và có rất nhiều ứng dụng.
Graphene là vật liệu mạnh nhất được biết đến ở cùng độ dày, với độ dẫn nhiệt và điện vô song và độ truyền ánh sáng gần 100%. Giải Nobel Vật lý năm 2010 được trao cho Andrei Heim và Konstantin Novoselov vì các thí nghiệm của họ trên graphene. Graphene cho đến nay là vật liệu mỏng nhất mà chúng ta biết. Và chỉ mất sáu năm để trò chơi và novoselov đi từ nghiên cứu đến chiến thắng, một trong những kỷ lục nhanh nhất trong vật lý.