Самый легкий в мире твердый материал

Содержание

25 самых крепких известных материалов

Самый легкий в мире твердый материал

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

Liquidmetal 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.

на канал чтобы не пропустить новые интересные статьи.

Топ 21 самых крепких и прочных материалов

Самый легкий в мире твердый материал

Изучение веществ играет важную роль во многих сферах жизни человека. Благодаря открытиям ученых, совершенствуются технологии в медицине, строительстве, металлургии, космологии. В статье представлен список самых прочных и крепких материалов, известных на сегодня.

Алмаз

Фактом, что алмаз – один из самых твердых на планете, никого не удивишь. Действительно, этот драгоценный минерал заслуживает почетное место среди прочных. Впрочем, о еще одном свойстве стоит напомнить. По оценке шкалы Мооса, поцарапать алмаз возможно только используя другой такой же камень. То есть, реакция на механическое воздействие другим материалом равна нулю.

Шёлк паука Дарвина

Фантастическое вещество, продуцируемое членистоногим Caerostris darwini, поражает воображение. Не зря ученые признали сеть паука самым твердым материалом на Земле из разряда биологических.

Правда, лидер недолго оставался таковым, но об этом позже. Специальные исследования показали высокую сопротивляемость волокна деформациям, ударам, растяжениям и сжатиям.

И это при том, что оно практически невесомое.

Благодаря методу модулирования, ученые предположили следующее. Чтобы шелком паука можно было обернуть Землю, потребуется всего лишь 500 граммов. Но такой сети в природе пока нет.

Аэрографит

Чтобы понять, насколько легка эта синтетическая пена, нужно взять в руку пенопласт. Так вот аэрографит весит в 75 раз меньше, но при этом в несколько раз прочнее. Кроме того, благодаря входящим в состав углеродным трубочкам, этот материал сжимается, уменьшаясь в соответствии с изначальным размером в 30 раз.

Высокая эластичность позволяет проводить такие манипуляции без потери основополагающих качеств. Учитывая эти особенности, ученые установили, что аэрографит с легкостью выдержит нагрузку, которая превысит вес материала в 40 тысяч раз.

Палладиевое микролегированное стекло

Вопреки стереотипам, стекло не всегда хрупкое и бьющееся. Благодаря группе ученых из Калифорнийского института, был разработан инновационный материал, который сочетает в себе мягкость и прочность. Секрет изобретения заключается в том, что кристаллическая структура позволила обойти свойства хрупкости стеклообразного вещества, при этом не снизив уровень выносливости.

Карбид вольфрама

Этот материал нельзя назвать абсолютно твердым, поскольку в некоторых случаях он подвержен разрушению. Однако в условиях больших нагрузок начинают проявляться мягкие свойства, которые обусловлены специальными полосами скольжения. В современном мире эта разработка успешно используется в строительстве, а точнее при изготовлении инструментов для сверления и бурения.

Карбид кремния

Химическое соединение вовсю применяют в военной технике. Благодаря повышенной тугоплавкости, оно участвует в изготовлении брони. А ввиду низкой стоимости материал используют в боевых танках. Кроме того, карбид кремния востребован в ювелирной сфере, а точнее для производства камней, которые имитируют алмазы.

Полиэтилен марки Dyneema

Еще один волшебный состав, поражающий набором полезных свойств. Износостойкий, он хвалится низким коэффициентом трения, а также показывает надежность в условиях критических температур. В своей группе этот высокомолекулярный полиэтилен считается самым прочным среди других волокнистых веществ.

18 самых больших астероидов и их движение

Ученые создали материал, который в несколько раз легче воды, однако способен отражать даже пули. Используют в судостроении. Из него изготавливают тросы, которые долгое время не требуют замены и не тонут в воде.

Кубический нитрид бора

По своим характеристикам этот материал схож с алмазом. По показателю твердости они идентичны. Но нитрид бора обладает дополнительными преимуществами. Так, в отличие от драгоценного камня, он устойчив к критически высоким температурам, не вступает в химические реакции ни с железом, ни с никелем. Благодаря этим характеристикам материал выгоден при производстве шлифовальных инструментов.

Титановые сплавы

Свойства титана известны каждому. А вот химические сплавы из этого материала демонстрируют сохранение феноменальной прочности даже в условиях сильного растяжения. Кроме того, полученный сплав обладает жаропрочностью и антикоррозийными характеристиками. Сфера применения материала обширна: авиа и ракетостроение, транспорт и много другое.

Аморфные сплавы

Получаются эти металлы в результате сверхбыстрого охлаждения, благодаря чему минуется процесс кристаллизации. Таким образом, металл становится твердым, однако сохраняет структуру, которая характерна для расплавленного состояния.

Чаще всего аморфные сплавы выпускаются в виде листов, проволок либо же порошка. Вышеуказанная особенность обусловила характерные свойства: устойчивость к коррозии, твердость и прочность. Сплавы используют в электротехнике при изготовлении трансформаторов.

Наноцеллюлоза

Ученые вывели этот материал из древесного волокна. И это тот случай, когда самое прочное дерево даст фору стали. Впрочем, первое еще и намного дешевле. Вообще, наноцеллюлозу называют главным конкурентом стекла и углеродного волокна. Разработчики уверены, что это материал будущего, который будет активно применяться при изготовлении брони и даже биотоплива.

Зубы моллюсков

Еще одно биологическое вещество, которое совсем недавно «заметили» ученые. И, проведя исследования, поняли, что в природе есть что-то, превышающее по показателям прочности упомянутые вначале сети паука Дарвина.

Секрет успеха зубов моллюска, считают ученые, заключается в особенностях питания. Ведь эти морские существа для того, чтобы отделить водоросли от скал, вынуждены изрядно потрудиться.

Генетическую обусловленность прочности вещества в будущем планируют использовать в машиностроительной промышленности.

Мартенситностареющая сталь

Еще один сплав, который отличается повышенной прочностью, а также низкой вязкостью и превосходной пластичностью. Получил широкое распространении в ракетных установках, а также при изготовлении строительных инструментов.

Осмий

С этим материал достаточно сложно работать, ведь даже при высокой температуре, он практически не плавится.

Механическая обработка тяжела и трудоемка, поэтому детали из осмия чаще всего изготавливают там, где в первую очередь ценится долговечность. Несомненно, это самый твердый металл, который используют в медицинской области.

К примеру, в изготовлении хирургических имплантатов. Осмий применяется и в военных снарядах, ракетостроении.

15 интересных фактов о кофе

Кевлар

Это пластик, температура плавления которого 450℃. Впрочем, не только это обусловило востребованность кевлара в различных областях. Его используют в тормозных колодках, при изготовлении защитной одежды и даже в беспилотниках. А все потому, что кевлар невероятно прочен и эластичен. К примеру, если сравнить его со стальным проводом, то последний отстает в этих показателях в 8 раз.

Полиэтилен высокой плотности марки Spectra

Еще одно химическое соединение, которое напоминает прочный пластик. Это волокно, отличающееся выдающейся износостойкостью. В сравнении со сталью, ученые отмечают десятикратное преимущество. Как и кеврал, Spectra успешно применяется в бронежилетах и другой защитной амуниции. Вместе с Dyneema, Спектра популярна в строительстве судов и автомобильной промышленности.

Графен

Беря за основу сравнения всю ту же сталь, легко подсчитать, что графен с одноатомной толщиной решетки, превышает по критерию прочности металл в 200 раз. Это модификация углерода, что собственно и обуславливает такие показатели.

Внешний вид графена схож с кулинарной пленкой, правда, в отличие от привычного для хозяек инструмента, порвать ее невозможно.

Чтобы представить наглядно необходимые усилия для деформации вещества, потребуется мощь грузовика, сосредоточенная на карандаше.

Группа ученых в Массачусетском технологическом институте в режиме реального времени проводит исследования, чтобы усовершенствовать графен.

Из того, чего уже удалось добиться – преобразование в трехмерную структуру из двумерной, что, конечно же, феноменально отразится на прочности.

Кроме того, это скажется и на весе, ведь эта характеристика сыграет большую роль в различных областях применения инновационного материала. Кстати, пока эту субстанцию никак не назвали.

Углеродные нанотрубки

Рвется как бумага, как бы ни так. Развитие нанотехнологий позволило ученым выделить вещество тоньше волоса в 50 000 раз. Из таких углеродных нанотрубок производят листы, вес которых намного меньше стали, однако прочность показывает превосходящие качества в 10 раз. Перспективное направление инновационного Buckypaper – изготовление электродов для суперкондесаторов.

Металлическая микрорешётка

Это самый легкий металл во Вселенной. Если взять тот же невесомый пенопласт, то он будет тяжелее этого пористого материала в 100 раз. Но обманчивый внешний вид не должен вводить в заблуждение, ведь по показателю прочности материал даст фору графиту.

Используют его в инженерных областях, при изготовлении тепловых изоляторов и амортизаторов. Еще одно качество металла – способность без потери полезных свойств сжиматься и возвращаться в исходное положение. Эту особенность успешно применяют для накопления энергии. Интересно, что металлические решетки взяли на вооружения инженеры компании Boeing для изготовления самолетов.

12 интересных фактов о Гарри Поттере

Аэрографен

Этот материал сложно сравнивать по показателям легкости с пенопластом. Гораздо проще взять за основу воздух. Графеновый аэрогель легче в 7 раз.

Ученые заменили жидкую фазу на газообразную, при этом добились жаропрочности, твердости и очень низкой теплопроводности.

Все эти свойства обусловили способность аэрографена впитывать огромное количество масла, а также восстанавливаться после сжатия.

Если задуматься о применении таких полезных качеств, то есть предположение, что в будущем с помощью него получиться ликвидировать разливы нефти. Действительно, очень важная разработка, которая успешно снизит последствия экологических катастроф.

Карбин

Все гениальное – просто. Карбин является очередной линейной цепочкой атомов углерода. Но, такая кристаллическая структура обуславливает отличительные свойства вещества. Показатели жесткости поражают – в 3 раза выше, чем у твердого алмаза. А прочности позавидует графен, карбин обогнал его по этому показателю в 2 раза.

Вюрцит нитрид бора

Полезное открытие, которое не так просто применить на практике. А все потому, что это крепкое природное вещество образуется самостоятельно. И не где-нибудь, а в вулканических извержениях.

Ученым удалось исследовать образец и они заявили, что твердость вюрцита превышает алмаз на 18%. Конечно, это не единственное превосходное качество. Однако добыча такого вещества усложняется условиями, что неудивительно.

Поэтому пока о полезном применении в важных областях речи не ведется.

Лонсдейлит

А вот и второе природное вещество, которое трудно достать даже для исследований. Особенность лонсдейлита заключается в особом строении атомов. Если говорить химическим языком, то это вещество можно назвать алмазом гексагональным.

В отличие от своего предшественника, обнаруженного чуть ранее – вюрцита нитрид бора, лонсдейлит превосходит алмаз по твердости на 58%. К сожалению, встретить его в природе практически невозможно.

И если первая субстанция возникает при извержениях, то эта образуется при падении на Землю метеоритов.

В заключение

Легкие и прочные вещества  занимают особе место в разработках. Взять ту же военную сферу. Во времена Средневековья, чтобы защититься от врагов, рыцари надевали на себя тяжелые и громоздкие доспехи. Все это сказывалось на их действиях, сильно сковывая движения. Сегодня броня представляется собой тонкую нательную одежду, незаметную и ничем не мешающую бойцу.

Говоря о разработках, призванных повышать прочность, нельзя обойти и медицинскую тему. Изготовление имплантатов существенно улучшает качество жизни инвалидов. Авиа, ракетно и судостроение – все это обуславливает мощь государства.

Современные технологии, позволяющие повышать качество конструкций за счет использования инновационных материалов, играют большую роль.

Благодаря усилиям ученых, все, что казалось ранее невозможным и фантастичным, сегодня становится реальностью.

4 невероятных химических субстанции, открытые людьми

Самый легкий в мире твердый материал

Ученые открывают и создают новые материалы постоянно. Но иногда обнаруживаются такие вещи, что челюсть с грохотом падает на пол. Их нужно знать в лицо. От неописуемо легких твердых веществ, используемых NASA, до металлов, которые плавятся в руке, мы нашли для вас несколько невероятных химических веществ, известных и не очень. Быстренько по ним пробежимся.

Аэрогель: самое легкое твердое вещество

Этот удивительный гель представляет собой самое легкое в мире твердое вещество. С момента его изобретения в 1931 году американским ученым Самюэлем Кистлером, он использовался в космических миссиях для сбора пыли из хвоста кометы, госагентствами для разработки изолированных палаток и даже для изготовления одежды, которая защищает человека от экстремального тепла.

NASA назвало его «синим дымом», поскольку выглядит он как голограмма.

Крутым это вещество делают его парадоксальные свойства. Этот жесткий гель состоит по большей части из воздуха, поэтому весит мало, напоминая губку. При этом он отлично отталкивает тепло. Как видно на снимке ниже, он защищает цветок от сильного пламени.

Отдельные молекулы, которые составляют аэрогель, действуют подобно миниатюрным бейсбольным перчаткам — они улавливают быстро движущиеся частицы, не повреждая их. Это свойство оказалось крайне полезным во время миссии NASA Stardust.

Ученые наполнили силикатным аэрогелем массивный коллектор в форме ракетки, который находился снаружи на корабле Stardust. Его цель была в захвате хрупких частиц, остающихся после кометы Уайльд-2, не повреждая их. Поскольку аэрогель прочный и относительно прозрачный, ученые с легкостью обнаружили и извлекли частицы позже для анализа.

Предшественник аэрогеля структурно напоминает желе. Желатиновый порошок в желе образует гибкий, жидкий раствор при смешивании с теплой водой, после чего охлаждается до жесткой запутанной сети, которая химически напоминает непослушный мяч в упряжке, принимая установленную форму. Если вы нагреете желе, оно высохнет и вы снова получите порошок.

Аэрогель, с другой стороны, состоит не из желатина. Чаще всего его делают из кремния, самого распространенного минерала в земной коре Земли.

Влажный аэрогель проходит через цикл охлаждения и нагревания под давлением, что позволяет ему сохранять свою форму даже после высыхания. Получившийся аэрогель практически воздушный, твердый и очень легкий.

На ощупь он как пенополистирол. Аэрогель можно сделать даже самостоятельно, если знать как.

Этот мягкий, блестящий и одновременно твердый металл довольно необычный. При низких температурах он принимает твердую форму. Но при нагреве до комнатной температуры он плавится в блестящую лужу.

До сих пор его основное применение было в сфере производства смартфонов, аэрокосмической области и в сфере связи. И хотя этот химический элемент присутствует в периодической таблице, в природе он не встречается. Его следы можно найти в цинковой руде и бокситах, из которых делают алюминий. Еще он имеется на Amazon, где его можно купить всего за 10 баксов.

И если вам удастся его раздобыть, держите его подальше от техники — он плохо влияет на другие металлы. Особенно это будет заметно, если алюминий на спинке вашего телефона поцарапан, что позволит галлию проникнуть глубже в металлическую решетку. Смотрите, что будет, если облить галлием поцарапанную крышку iPhone.

Через несколько часов она полностью разложится.

Алмазные нанонити: возможная основа для космического лифта?

Это относительно новое рукотворное волокно из атомов углерода, выстроенных в зигзагообразную структуру, похожу на алмазную, может быть самым прочным и жестким наноматериалом из всех, что мы когда-либо делали.

Открытое в 2014 году, это волокно выявило силу, которая превосходит углеродные нанотрубки, еще один сверхпрочный и легковесный материал. При всем этом оно чрезвычайно тонкое. Всего три атома в поперечнике, гораздо тоньше человеческого волоса. Поскольку эта структура была открыта совсем недавно, ее состав еще должны подтвердить снимки высокого разрешения.

Свойства и поведение тоже нуждаются в более глубоком понимании, прежде чем ее можно будет производить в коммерческих масштабах. Но если все получится, эти алмазные нановолокна могут в теории стать достаточно прочными, чтобы лечь в основу кабеля для космического лифта. Другие кандидаты, например сталь, ломаются под собственным весом.

Ферромагнитная жидкость

Эта похожая на дикобраза кучка сверхтонких магнитных частиц — железа, как правило — это жидкость, которая начинает танцевать и выстраивать невероятные структуры при воздействии магнитного поля.

Каждая отдельная крошечная частица в феррофлюиде (ferrofluid) покрыта поверхностно-активным веществом, которое препятствует слипанию частиц вместе, и суспендирована в жидкости — воде, например.

Эти частицы не похожи на магниты на вашем холодильнике.

Это «парамагнитные» частицы, то есть становятся крошечными магнитами в присутствии магнитного поля, которые движутся и слипаются с другими крошечными магнитами в поле.

Ферромагнитная жидкость была создана в 1963 году ученым NASA Стивом Паппелом как прототип для ракетного топлива, которое должно было двигать космический аппарат после применения магнитного поля на нее. Самое странное в ферромагнитных жидкостях то, что они ведут себя одновременно как жидкости и как твердые материалы.

Какой материал самый легкий в мире?

Самый легкий в мире твердый материал

Аэрогели представляют собой разнообразный класс твердых пористых материалов, демонстрирующих необычайную совокупность экстремальных свойств материала и чрезвычайно легкого веса.

Вы когда-нибудь мечтали о том, чтобы спать на пушистых белых облаках или нырять в бассейне с твердым воздухом, только чтобы плавать в его странной, мягкой, нежной текстуре. Однако они очень разные. Являясь самым легким материалом из существующих на сегодняшний день, аэрогели неубедительно крепки и невероятно невосприимчивы к широкому кругу суровых условий.

«Аэрогель» не может рассматриваться как особый материал или минерал, такой как хлопок или графен, и имеет особую химическую формулу.

Вместо этого они представляют собой разнообразный класс твердых пористых материалов, демонстрирующих странную совокупность экстремальных свойств материала, состоящую из группы материалов с определенной геометрической структурой – чрезвычайно пористой твердой пены с высокой связью между разветвленными структурами по всему материалу. Эти связи, хотя и охватывают несколько нанометров, невероятно прочны и долговечны. К вашему удивлению, эти «мистически» материалы существуют на протяжении всей истории гораздо дольше, чем вы можете себе представить. Американский профессор химии Стивен Кистлер, в 1931 году, опубликовал первые выводы об этом материале после его успешного изобретения, включающего много проб и ошибок.

Как сделать аэрогель?

Представьте, что вы готовите миску сладкого желатинового десерта. Процесс приготовления аэрогеля на самом деле очень похож. Желатиновый порошок смешивают в горячей воде и затем охлаждают в холодильнике. Что вы получаете, это гель.

На этом этапе аэрогель и ваше обычное съедобное желе ничем не отличаются. Если вы поместите этот волнистый гель в духовку сейчас и удалите всю его влагу, ваше желе, несомненно, превратится в порошок.

Это потому, что когда влага откачивается в виде пара, структурные связи между желеобразным материалом вытягиваются внутрь, не оставляя ничего, кроме пыли.

Однако, если вам каким-то образом удалось вытащить все жидкое содержимое геля, не повредив твердую структуру и форму, то у вас останется чрезвычайно плотное пористое вещество низкой плотности. Именно так делаются аэрогели.

Сверхкритическая сушка – сложная техника, с помощью которой жидкость может вытягиваться капиллярно. Все чистые вещества (которые не разлагаются) имеют критическую точку. Это определенное давление и температура, при которых исчезает различие между их жидким состоянием и газовой фазой. Эта фаза материи называется сверхкритической жидкостью.

Чтобы создать аэрогель, возьмите герметичный контейнер с жидкостью (в основном кремнеземом) ниже его критической точки. Эта банка оснащена манометром сверху и оборудованием для повышения температуры.

Определенное количество жидкости испаряется в контейнере до тех пор, пока давление пара жидкости и давление в сосуде не выровняются. Теперь, если вы нагреваете контейнер, давление в контейнере увеличивается, из-за увеличения давления пара с температурой.

Поскольку критическая точка этой жидкости приближается, давление в резервуаре сжимает молекулы пара достаточно близко друг к другу, так что пар становится почти таким же плотным, как жидкость.

Одновременно температура в контейнере становится достаточно высокой, так что кинетическая энергия молекул в жидкости ослабляет силы притяжения, которые удерживают их вместе в виде жидкости.

В конце концов, критическая точка достигнута, размытие мениска, разделяющего две фазы, приводит к одной сверхкритической фазе! На этом этапе поверхностное натяжение в жидкости медленно падает до нуля, заставляя капиллярное напряжение также падать.

Аэрогелификация

Сверхкритическая жидкость, присутствующая теперь во всем сосуде, имеет поры, заполненные гелем; жидкость в этом геле теперь может быть удалена без поверхностного натяжения, чтобы помешать процессу. Это делается путем частичного сброса давления в сосуде (не ниже критического давления). Температура контейнера также должна оставаться выше критической температуры на этом этапе.

Цель состоит в том, чтобы избавиться от достаточного количества жидкости из сосуда, в то время как жидкость все еще находится в сверхкритическом состоянии, что гарантирует, что когда давление в сосуде полностью сбрасывается ниже критической точки жидкости, в сосуде просто не останется вещества для повторной конденсации.

После удаления достаточного количества жидкости в сосуде постепенно сбрасывают давление и охлаждают до условий окружающей среды. Когда это происходит, небольшое количество жидкости, оставшейся в сосуде, проходит через критическую точку; он возвращается в газообразное состояние.

Оставшаяся жидкость в геле теперь полностью преобразована в газ без капиллярного напряжения, и остается аэрогель.

Типы Аэрогеля

Три основных типа аэрогелей – оксид кремния, оксид углерода и металла. Эти твердые вещества нашли широкое применение в современных элементах оборудования благодаря своим уникальным структурным и химическим свойствам.

Кремнезем не следует путать с кремнием, веществом, используемым в микросхемах и полупроводниках. Кремнезем является стеклообразным материалом, используемым для изоляции.

Аэрогели на основе диоксида кремния являются наиболее часто обсуждаемыми аэрогелями; если вы слышите, как люди говорят об аэрогелях, есть большая вероятность, что они говорят об аэрогелях из диоксида кремния.

Молекулы кремнезема, которые больше, чем длина волны белого света, рассеивают синий свет, обеспечивая тем самым прозрачный синий оттенок.

Совершенно не похоже на небесно-голубые аэрогели на основе диоксида кремния, аэрогели на основе углерода имеют серовато-черный оттенок с текстурой, напоминающей древесный уголь.

Их непривлекательный внешний вид компенсируется высокими свойствами электропроводности.

Миллионы воздушных зазоров и пор резко увеличивают площадь абсорбции этих аэрогелей, что делает их незаменимым кандидатом для топливных элементов, систем опреснения и суперконденсаторов.

Металлические аэрогели, как следует из названия, сделаны из оксидов металлов. На самом деле они являются неорганическими кузенами более распространенного аэрогеля с кремнеземом. Каждый тип аэрогеля имеет свои уникальные свойства.

Эти аэрогели очень полезны в качестве катализаторов для многих различных химических превращений, взрывчатых матриц и предшественников для других материалов, таких как катализатор из углеродных нанотрубок.

Эти аэрогели часто бывают довольно красочными, а некоторые даже имеют магнитную природу.

Применение аэрогеля

Благодаря своей низкой теплопроводности и чрезвычайно малому весу, они являются идеальными кандидатами для строительства строительных и бытовых приборов, средств хранения, автомобилей и космических аппаратов и солнечных устройств.

Благодаря высокой пористости и низкой плотности они используются в машинных датчиках, хранилищах топлива, ионообменниках, фильтрах выхлопных газов. Являясь мягкими полупрозрачными твердыми веществами с низким показателем преломления, они также используются в качестве световодов и находят применение в легкой оптике.

Будучи акустически непрозрачными для звуков, они используются при облицовке стен звукоизолированных помещений и в ультразвуковых датчиках расстояния.

Будучи легкими и мягко эластичными, они находят хорошее применение в качестве поглотителей энергии в ловушках сверхскоростных частиц.

Обладая высокой площадью поверхности и низкими диэлектрическими постоянными, аэрогели часто используются в диэлектриках для интегральных схем и конденсаторов из-за их высокой диэлектрической прочности.

Как вы видите, этот уникальный класс материала может сделать гораздо больше, чем просто удержать влагу в обувной коробке!

Убийцы пластика: 10 материалов будущего

Самый легкий в мире твердый материал

применение

Для супертонких гаджетов

С момента открытия графена было принято считать, что именно он изменит электронные технологии ближайшего будущего. Это подтверждалось огромным количеством патентных заявок на право его использования, поданных технологическими компаниями.

Однако в 2012 году в Германии синтезировали похожий, но более перспективный материал — силицен. Графен — это слой толщиной с атом углерода. Силицен — такой же слой из атомов кремния. Многие свойства у них схожи.

Силицен тоже обладает отличной проводимостью, что гарантирует повышение производительности при меньших теплозатратах. Однако
у силицена есть ряд неоспоримых преимуществ. Во-первых, он превосходит графен по структурной гибкости, его атомы могут выпирать из плоскости, что увеличивает спектр его применения.

Во-вторых, он полностью совместим с уже существующей электроникой, в основе которой — кремний. Это означает, что на его внедрение потребуется намного меньше времени и денег.

Лидером производства строительных, отделочных и упаковочных материалов из грибов является молодая компания Ecovative, основатели которой нашли золотую жилу в мицелии — вегетативном теле гриба. Выяснилось, что он обладает прекрасными цементирующими качествами.

Ребята из Ecovative смешивают его с кукурузной и овсяной шелухой, придают смеси необходимую форму и выдерживают её в темноте несколько дней. За это время грибной питательный орган перерабатывает пищу и связывает смесь в гомогенную массу, которую затем для прочности обжигают в печи.

В результате этих нехитрых манипуляций получается лёгкий, прочный, огне- и влагостойкий экологичный материал, внешне напоминающий пенопласт. На основе этой технологии в Ecovative сейчас разрабатывают материал для бамперов, дверей и приборных панелей автомобилей Ford.

Кроме того, они наладили производство небольших домов Mushroom Tiny House, полностью созданных на основе мицелия.    

Материалы из грибов

применение

Для экологичного строительства и производства мебели

Аэрогель

применение

Для теплоизоляции

Обычный гель состоит из жидкости, которой трёхмерный полимерный каркас сообщает механические свойства твёрдых тел: отсутствие текучести, способность сохранять форму, пластичность и упругость. В аэрогеле жидкость после высушивания материала до критической температуры заменяется газом.

Получается вещество с удивительными свойствами: рекордно низкой плотностью и теплопроводностью. Так, аэрогель на основе графена — самый лёгкий материал в мире. Несмотря на то что 98,2% его объёма составляет воздух, материал обладает огромной прочностью и выдерживает нагрузку в 2 000 раз больше собственного веса.

Аэрогель чуть ли не лучший на сегодня теплоизолятор, применяемый как в скафандрах NASA, так и в куртках для альпинистов толщиной всего 4 мм. Ещё одно его удивительное свойство — способность абсорбировать вещества в 900 раз больше собственного веса. Всего 3,5 кг аэрогеля могут абсорбировать тонну разлившейся нефти.

Благодаря его эластичности и термической стойкости абсорбированная жидкость может быть выдавлена, как из губки, а остаток просто выжжен или удален испарением.

Феррофлюид — это жидкий материал, способный изменять свою форму под воздействием магнитного поля. Этому свойству он обязан тем, что в нём содержатся микрочастицы магнетита или других железосодержащих минералов. Когда к ним подносят магнит, они притягиваются к нему и толкают вместе с собой молекулы жидкости.

Феррофлюид, вероятно, — самый доступный из всех представленных материалов: его можно купить в интернете или даже сделать самостоятельно. Феррофлюиды по теплоёмкости и теплопроводности превосходят все смазочно-охлаждающие материалы.

Сейчас их используют в качестве жидких уплотнителей вокруг вращающихся осей жёстких дисков и в качестве рабочей жидкости в поршнях гидравлической подвески. В ближайшем будущем NASA планирует использовать их в зеркалах телескопов для того, чтобы те умели подстраиваться под атмосферные турбулентности.

Плюс магнитные жидкости должны пригодиться при лечении рака. Их можно смешивать с противоопухолевыми препаратами и с помощью магнита точно вводить лекарство в поражённый участок, не вредя окружающим клеткам.  

Жидкий металл

применение

Для лечения рака

Самовосстанавливающиеся материалы

применение

Для долгой жизни вещей

Самовосстанавливающиеся материалы изобретают в различных областях: строительстве, медицине, электронике. Среди самых интересных разработок — защищённый от физических повреждений компьютер. Инженер Нэнси Соттос придумала снабжать провода микроскопическими капсулами с жидким металлом.

При разрыве капсула разбивается и заполняет трещину за секунды. Микробиолог Хэнк Джонкерс похожим способом продлевает срок службы дорог и зданий, подмешивая в цемент споры бактерий и питательные вещества для них.

Как только в цементе появляется трещина и в неё попадает вода, бактерии пробуждаются ото сна и начинают перерабатывать корм в прочный карбонат кальция, который заполняет трещины. Новшество затронуло и текстильную промышленность.

Американский учёный Марек Урбан создал прочный материал, который может самостоятельно заделывать полученные повреждения. Для этого на ткань необходимо направить концентрированный луч ультрафиолета.     

В ближайшем будущем материя сможет изменять свою форму, плотность, структуру и другие физические свойства программируемым образом. Для этого необходимо создание материала, которому присуща способность обработки информации.

На практике это будет выглядеть так: столик из IKEA будет собираться сам, как только его достанут из коробки, а вилка при необходимости будет легко превращаться в ложку. Уже сейчас в MIT создают предметы, которые могут менять форму.

Для этого сверхтонкие электронные платы соединяются с запоминающими форму сплавами — металлами, меняющими конфигурацию под воздействием тепла или магнитного поля. Платы выделяют тепло в заданных точках, в результате чего объект собирается в задуманную учёными структуру.

Так, из плоских металлических листов удалось собрать робота-насекомое. Важным направлением программируемой материи является клэйтроника, занимающаяся разработкой нанороботов, которые могут вступать в контакт друг с другом и создавать 3-D объекты, с которыми может взаимодействовать пользователь.

Клэйтроника сможет предложить реалистичное чувство связности на больших расстояниях, называемое «парио». Благодаря ему можно будет услышать, увидеть и потрогать нечто, расположенное на другом конце света.

Клэйтроника

применение

Для производства вещей, способных
менять форму по требованию

Бактериальная целлюлоза

применение

Для экологичного производства одежды 

Сьюзан Ли основала компанию BioCouture в 2003 году для того, чтобы продвигать идеи биодизайна в мире моды. Она научилась выращивать ткани для производства одежды в своей собственной ванной, имея под рукой только дрожжи, бактерии и подслащенный зелёный чай.

Если весь этот компот оставить бродить на несколько недель, получается бактериальная целлюлоза — прочный материал, который напоминает полупрозрачную кожу. Пока материал влажный, ему можно придать любую трёхмерную форму.

Чтобы вещи не напоминали по цвету чайный гриб, Сьюзан добавляет в него натуральные красители, например индиго, обладающий противомикробными свойствами. Главный плюс такой одежды в том, что материал для её изготовления можно брать из отходов предприятий пищевой промышленности.

Бактериальная целлюлоза может пригодиться не только в производстве биоодежды, её также планируют использовать для создания кровеносных сосудов и замены костной ткани, а сейчас используют для заживления ран.   

Исследовательница Марин Савва сумела создать настольный биореактор для производства вегетарианской еды. Этот 3D-биопринтер использует различные питательные вещества, содержащиеся в микроводорослях, в качестве «чернил». Устройство получило название Algaerium, от слова algae, что означает «водоросль».

В основе «домашней пищевой фермы» лежит принцип струйной печати. Устройство позволяет комбинировать питательные вещества, содержащиеся в различных видах микроводорослей, и создавать продукты питания в зависимости от потребности человека.

Микроводоросли Chlorella, Spirulina и Haematococcus — это не просто еда, а богатые витаминами и минералами «суперфуды», которые могут обеспечить полноценный здоровый рацион питания. Мясо из домашних биореакторов тоже уже на подходе.

Процесс производства мяса в пробирке включает в себя получение мышечных клеток животных и применение белка, который позволяет клеткам вырастать в большие куски мяса.

Для этого биологическая матрица коллагена засеивается мышечными клетками, которые затем заливаются питательным раствором, что вынуждает их размножаться. А в августе 2013 года был представлен первый гамбургер, содержащий 140 граммов искусственно культивированного мяса. Говорят, не очень вкусного.  

Суперфуд из биопринтера

применение

Для производства полезной
пищи на дому

Метаматериал

применение

Для производства вещей-невидимок

Свойства метаматериалов обусловлены искусственно созданной структурой, которую они воспроизводят. Разработчики метаматериалов при их синтезировании имеют возможность выбора размера структур, их формы и других параметров, в результате чего можно получить характеристики, не встречающиеся в природе.

В 2000 году исследователь Дэвид Смит  изготовил метаматериал с отрицательным показателем преломления. Поведение света в нём оказалось настолько странным, что теоретикам пришлось переписать книги по электромагнитным свойствам веществ.

Сейчас экспериментаторы используют свойства метаматериалов для создания суперлинзы, позволяющей получать изображения с деталями меньше длины волны используемого света. С их помощью можно было бы делать микросхемы с наноскопическими элементами и записывать на оптические диски огромные объёмы информации.

Метаматериалы обладают отрицательным показателем преломления, поэтому они идеальны для маскировки объектов. Наноструктуры, придающие материалу отрицательный коэффициент преломления, искривляют световые волны, пустив их по контуру предмета, что делает его невидимым.

Учёным удалось воплотить принцип в реальность, правда, успехи пока ограничиваются микроволновым диапазоном.

Каменную бумагу придумала компания Ogami. Внешне она мало чем отличается от обычной. Вместо дерева и полимеров её производят из нетоксичной смолы и карбоната кальция, который встречается в природе в виде минералов — кальцита, известняка, мрамора.

Эти компоненты легко получить из каменных карьеров и даже отходов строительства. Для производства бумаги минерал измельчают до состояния порошка.

Производственный процесс не требует расхода воды, применения хлора, кислот и нефтяных продуктов, которые и делают отходы традиционного бумажно-целлюлозного производства ядовитыми. Хотя по фактуре каменная бумага почти ничем не отличается от древесной, у неё есть ряд замечательных дополнительных свойств.

Она не боится воды, её сложнее порвать. Её можно многократно использовать, так как стирая написанное, вы не ухудшаете её структуру. На каменной бумаге уже была напечатана первая книга — «Little Pig Looks for Rain» на тайваньском. 

Бумага из камня

применение

Для экологичного производства бумаги

  Matthew Boerjan

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.