Carbon là một trong những nguyên tố đặc biệt nhất trong tự nhiên, với các đặc tính hóa học và vật lý không giống bất kỳ nguyên tố nào khác. Chỉ với sáu proton trong hạt nhân, Carbon là nguyên tố nhẹ nhất có khả năng hình thành một loạt các liên kết phức tạp. Tất cả các dạng sống đã biết đều dựa trên cacbon, vì các đặc tính nguyên tử của nó cho phép liên kết với tối đa bốn nguyên tử khác cùng một lúc. Các dạng hình học có thể có của những liên kết đó cũng cho phép cacbon tự tập hợp, đặc biệt là dưới áp suất cao, thành một mạng tinh thể ổn định. Nếu các điều kiện thích hợp, các nguyên tử cacbon có thể tạo thành một cấu trúc rắn, siêu cứng được gọi là kim cương.
Mặc dù kim cương thường được biết đến là vật liệu cứng nhất trên thế giới, nhưng thực tế có 6 loại vật liệu còn cứng hơn.
Với sự ra đời của công nghệ nano, giờ đây chúng ta nhận ra rằng có nhiều thước đo khác nhau để đánh giá các vật liệu về độ cứng, độ bền & sức mạnh của những vật liệu này. Trước khi đi vào danh sách 6 vật liệu cứng hơn cả kim cương, cùng đi qua 3 vật liệu “cứng” đáng chú ý sẽ làm bạn thú vị nhé.
Tơ nhện
Về mặt sinh học, tơ nhện nổi tiếng là dẻo dai nhất. Với tỷ lệ sức mạnh trên trọng lượng cao hơn hầu hết các vật liệu thông thường như nhôm hoặc thép, tơ nhện nổi bật với độ mỏng và dính của nó. Trong tất cả các loài nhện trên thế giới, nhện vỏ cây Darwin là loài cứng nhất: mạnh hơn kevlar gấp mười lần. Nó mỏng và nhẹ đến mức 454 gram tơ nhện vỏ cây Darwin sẽ tạo thành một sợi dây đủ dài để đi 1 vòng chu vi của toàn trái đất.
Silicon carbide
Đối với một khoáng chất tự nhiên, Silicon carbide hay cacbua silic – được tìm thấy tự nhiên ở dạng moissanite – chỉ có độ cứng kém hơn một chút so với kim cương. Hỗn hợp hóa học của silic và cacbon, chiếm cùng họ trong bảng tuần hoàn với nhau, các hạt silic cacbua đã được sản xuất hàng loạt từ năm 1893. Chúng có thể được liên kết với nhau thông qua Quá trình áp suất nhưng nhiệt độ thấp được gọi là quá trình thiêu kết để tạo ra vật liệu ceramic cực kỳ cứng.
Những vật liệu này không chỉ hữu ích trong nhiều ứng dụng cần độ cứng, chẳng hạn như phanh và ly hợp xe hơi, các tấm trong áo chống đạn, và thậm chí cả áo giáp chiến đấu thích hợp cho xe tăng, thêm vào đó silicon carbide còn có các đặc tính bán dẫn cực kỳ hữu ích để sử dụng trong thiết bị điện tử.
Silica spheres (hạt vi cầu)
Những quả cầu silica cực nhỏ được gọi là hạt vi cầu, có đường kính từ 50 nanomet xuống chỉ còn 2 nanomet, được tạo ra lần đầu tiên cách đây 20 năm tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia của Bộ Năng lượng Mỹ. Điều đáng chú ý về những quả cầu nano này là chúng rỗng, các hạt vi cầu này tự tạo thành hình cầu và thậm chí có thể tạo hình bên trong nhau. Đây là vật liệu nhân tạo cứng nhất, có độ cứng ít hơn kim cương một chút.
Tất nhiên, kim cương cứng hơn tất cả 3 vật liệu trên nhưng vẫn đứng ở vị trí thứ 7 trong danh sách những vật liệu cứng nhất mọi thời đại được tìm thấy hoặc tạo ra trên Trái đất.
Kim cương vẫn là vật liệu chống trầy xước tốt nhất mà loài người biết đến. Các kim loại như titan có khả năng chống xước kém hơn rất nhiều, và ngay cả ceramic cực kỳ cứng hoặc cacbua vonfram cũng không thể cạnh tranh với kim cương về độ cứng hoặc khả năng chống xước. Các loại tinh thể khác được biết đến với độ cứng cực cao, chẳng hạn như hồng ngọc hoặc ngọc bích, vẫn kém hơn kim cương.
Vậy 6 vật liệu cứng hơn kim cương này là gì? cùng tìm hiểu nhé:
Wurtzite boron nitride
Thay vì cacbon, bạn có thể tạo tinh thể từ một số nguyên tử hoặc hợp chất khác, và một trong số đó là boron nitride hay boron nitrua (BN), nơi các nguyên tố thứ 5 và 7 trong bảng tuần hoàn kết hợp với nhau. boron nitride có thể là vô định hình (không kết tinh), lục giác (tương tự như graphit), lập phương (tương tự như kim cương, nhưng yếu hơn một chút) và dạng wurtzite.
Dạng cuối cùng của những dạng này vừa cực kỳ hiếm, nhưng cũng cực kỳ cứng. Được hình thành trong quá trình phun trào núi lửa, boron nitrua chỉ được phát hiện với số lượng nhỏ, có nghĩa là chúng chưa bao giờ kiểm tra độ cứng bằng thực nghiệm. Tuy nhiên, boron nitrua tạo thành một loại mạng tinh thể khác – một mạng tứ diện thay vì một khối lập phương tâm mặt – cứng hơn kim cương 18%, theo các mô phỏng gần đây nhất.
lonsdaleite (kim cương lục phương)
Hãy tưởng tượng bạn có một thiên thạch chứa đầy carbon, và do đó có chứa than chì, bay xuyên qua bầu khí quyển của chúng ta và va chạm với hành tinh Trái đất. Trong khi bạn có thể hình dung một thiên thạch rơi xuống như một khối cực kỳ nóng, chỉ có lớp vỏ là bóc cháy; bên trong vẫn mát mẻ.
Khi va chạm với bề mặt Trái đất, áp suất bên trong trở nên lớn hơn bất kỳ quá trình tự nhiên nào khác trên bề mặt hành tinh của chúng ta và khiến than chì nén lại thành một cấu trúc tinh thể. Tuy nhiên, nó không sở hữu mạng tinh thể lập phương của kim cương mà là một mạng lục giác, thực sự có thể đạt được độ cứng lớn hơn 58% so với những gì kim cương đạt được.
Dyneema
Từ đây trở đi, chúng ta sẽ đến với các hợp chất nhân tạo. Dyneema, một loại polyme polyetylen dẻo nóng, chất có trọng lượng phân tử cao bất thường. Hầu hết các phân tử mà chúng ta biết là chuỗi nguyên tử có tổng cộng vài nghìn đơn vị khối lượng nguyên tử (proton và / hoặc neutron). Nhưng UHMWPE (cho polyethylene trọng lượng phân tử siêu cao) có chuỗi cực dài, với khối lượng phân tử tính bằng hàng triệu đơn vị khối lượng nguyên tử.
Với các chuỗi rất dài cho các polyme của chúng, các tương tác giữa các phân tử về cơ bản được tăng cường đáng kể, tạo ra một vật liệu rất cứng. Trên thực tế, nó cứng đến mức có độ bền va đập cao nhất so với bất kỳ loại nhựa nhiệt dẻo nào được biết đến. Nó đã được gọi là sợi mạnh nhất trên thế giới, tốt hơn tất cả các loại dây neo và dây kéo. Mặc dù nhẹ hơn nước, nó có thể ngăn đạn và có độ bền gấp 15 lần so với cùng lượng thép tương ứng.
Palladium vi thuỷ tinh
Điều quan trọng là phải nhận ra rằng có hai đặc tính quan trọng mà tất cả các vật liệu vật lý đều có: sức bền, đó là lực mà nó có thể chịu được trước khi biến dạng và độ dẻo dai, là lượng năng lượng cần thiết để phá vỡ hoặc bẻ gãy nó.
Hầu hết ceramic rất bền nhưng không cứng, dễ vỡ khi rơi xuống hoặc ngay cả khi rơi từ một độ cao nhỏ. Các vật liệu đàn hồi, như cao su, có thể giữ được nhiều năng lượng trước khi bị phá vỡ nhưng dễ bị biến dạng và không bền chút nào.
Hầu hết các vật liệu thủy tinh đều giòn: mạnh nhưng không đặc biệt dai. Ngay cả kính cường lực, như Pyrex hoặc Gorilla Glass. Nhưng vào năm 2011, các nhà nghiên cứu đã phát triển một loại vi thủy tinh mới có 5 nguyên tố (phốt pho, silicon, germani, bạc và palladium), trong đó palladium cung cấp các đường để hình thành các dải cắt, cho phép thủy tinh biến dạng dẻo thay vì nứt. Palladium vi thuỷ tinh đánh bại tất cả các loại thép vì sự kết hợp của cả sức mạnh và độ dẻo dai. Đây là vật liệu cứng nhất không bao gồm carbon.
Buckypaper
Từ cuối thế kỷ 20, nổi tiếng là có một dạng carbon còn cứng hơn cả kim cương: ống nano carbon. Bằng cách liên kết carbon với nhau thành hình lục giác, ống nano carbon có thể giữ một cấu trúc hình trụ cứng chắc hơn bất kỳ cấu trúc nào khác mà loài người từng biết. Nếu bạn lấy một tập hợp các ống nano carbon và tạo ra một tấm kích thước lớn của chúng, bạn sẽ tạo ra buckypaper.
Mỗi ống nano riêng lẻ chỉ có chiều ngang từ 2 đến 4 nanomet, nhưng mỗi ống đều cực kỳ mạnh và cứng. Nó chỉ bằng 10% trọng lượng của thép nhưng có độ bền gấp hàng trăm lần. Nó chống cháy, cực kỳ dẫn nhiệt, sở hữu đặc tính che chắn điện từ cực lớn và có thể ứng dụng cho các ứng dụng khoa học vật liệu, điện tử, quân sự và thậm chí cả sinh học. Nhưng buckypaper không thể được làm bằng 100% ống nano, đó có lẽ là điều khiến nó không nằm ở vị trí hàng đầu trong danh sách này.
Graphene
Cuối cùng: một mạng tinh thể carbon lục giác chỉ dày một nguyên tử. Đó là những gì một tấm graphene, được cho là vật liệu cách mạng nhất được phát triển và sử dụng trong thế kỷ 21. Nó là thành phần cấu trúc cơ bản của bản thân các ống nano cacbon, và các ứng dụng đang phát triển liên tục. Hiện tại đây là một ngành công nghiệp trị giá hàng triệu đô la, graphene dự kiến sẽ phát triển thành một ngành công nghiệp trị giá hàng tỷ đô la chỉ trong vài thập kỷ.
Tương ứng với độ dày, Graphene là vật liệu cứng nhất được biết đến, là một chất dẫn phi thường cả nhiệt và điện, và gần như trong suốt 100% đối với ánh sáng. Giải Nobel Vật lý năm 2010 thuộc về Andre Geim và Konstantin Novoselov vì những thí nghiệm đột phá liên quan đến graphene, và các ứng dụng thương mại chỉ mới đang phát triển. Cho đến nay, graphene là vật liệu mỏng nhất được biết đến. Khoảng thời gian chỉ sáu năm giữa công trình của Geim và Novoselov và giải thưởng Nobel mà họ đạt được là một trong những khoảng cách ngắn nhất trong lịch sử vật lý.
Nhiệm vụ làm cho vật liệu cứng hơn, mạnh hơn, chống xước hơn, nhẹ hơn, cứng hơn, v.v., có lẽ sẽ không bao giờ kết thúc. Nhiều thế hệ trước, ý tưởng về vi điện tử, bóng bán dẫn hoặc khả năng điều khiển các nguyên tử riêng lẻ chắc chắn chỉ dành cho lĩnh vực khoa học viễn tưởng. Ngày nay, chúng phổ biến đến mức chúng ta coi tất cả chúng là điều hiển nhiên.
Khi chúng ta dốc toàn lực vào thời đại công nghệ nano, những vật liệu như những thứ được mô tả ở đây ngày càng trở nên quan trọng hơn và phổ biến hơn đối với chất lượng cuộc sống của chúng ta. Thật là một điều tuyệt vời khi được sống trong một nền văn minh nơi kim cương không còn là vật liệu cứng nhất được biết đến nữa; những tiến bộ khoa học mà chúng ta tạo ra mang lại lợi ích cho toàn xã hội.
Theo: Forbes
