Каждый из вас знает, что эталоном твердости на сегодня так и остается алмаз. При определении механической твердости существующих на земле материалов твердость алмаза берется как эталон: при измерениях методом Мооса – в виде поверхностного образца, методами Виккерса или Роквелла – в качестве индентора (как более твердое тело при исследовании тела с меньшей твердостью). На сегодняшний день можно отметить несколько материалов, твердость которых приближается к характеристикам алмаза.
Сравниваются в данном случае оригинальные материалы, исходя из их микротвердости по методу Виккерса, когда материал считается сверхтвердым при показателях в более 40 ГПа. Твердость материалов может изменяться, в зависимости от характеристик синтеза образца или направления приложенной к нему нагрузки.
Колебания показателей твердости от 70 до 150 ГПа – общеустановленное понятие для твердых материалов, хотя эталонной величиной принято считать 115 ГПа. Давайте рассмотрим 10 самых твердых материалов, кроме алмаза, которые существуют в природе.
10. Субоксид бора (B 6 O) - твердость до 45 ГПа
Субоксид бора обладает способностями создавать зерна, имеющие форму икосаэдров. Образованные зерна при этом не являются обособленными кристаллами или разновидностями квазикристаллов, представляя собой своеобразные кристаллы-двойники, состоящие из двух десятков спаренных кристаллов-тетраэдров.
10. Диборид рения (ReB 2) - твердость 48 ГПа
Многие исследователи ставят под сомнение вопрос, может ли этот материал причисляться к материалам сверхтвердого типа. Это вызвано весьма необычными механическими свойствами соединения.
Послойное чередование разных атомов делает этот материал анизотропным. Поэтому измерение показателей твердости получаются разными при наличии разнотипных кристаллографических плоскостей. Таким образом, испытаниями диборида рения при малых нагрузках обеспечивается твердость в 48 ГПа, а при увеличении нагрузки твердость становится намного меньше и составляет приблизительно 22 ГПа.
8. Борид магния-алюминия (AlMgB 14) - твердость до 51 ГПа
Состав представляет собой смесь алюминия, магния, бора с невысокими показателями трения скольжения, а также высокой твердостью. Эти качества могли бы стать находкой для производства современных машин и механизмов, работающих без смазки. Но использование материала в такой вариации пока что считается непомерно дорогим.
AlMgB14 - специальные тоненькие пленки, создающиеся при помощи лазерного напыления импульсного типа, имеют способность обладать микротвердостью до 51 ГПа.
7. Бор-углерод-кремний - твердость до 70 ГПа
Основа такого соединения обеспечивает сплаву качества, подразумевающие оптимальную устойчивость к химическим воздействиям негативного типа и высокой температуре. Такой материал обеспечивается микротвердостью до 70 ГПа.
6. Карбид бора B 4 C (B 12 C 3) - твердость до 72 ГПа
Еще один материал – карбид бора. Вещество достаточно активно стало использоваться в разных сферах промышленности практически сразу же после его изобретения в 18 веке.
Микротвердость материала достигает 49 ГПа, но доказано, что и этот показатель можно увеличить посредством добавления ионов аргона в строение кристаллической решетки – до 72 ГПа.
5. Нитрид углерода-бора - твердость до 76 ГПа
Исследователи и ученые со всего мира давно пытаются синтезировать многосложные сверхтвердые материалы, в чем уже были достигнуты ощутимые результаты. Компонентами соединения являются атомы бора, углерода и азота – близкие по размерам. Качественная твердость материала доходит до 76 ГПа.
4. Наноструктурированный кубонит - твердость до 108 ГПа
Материал еще называется кингсонгитом, боразоном или эльбором, а также обладает уникальными качествами, успешно используемыми в современной промышленности. При показателях твердости кубонита в 80-90 ГПа, близких к алмазному эталону, сила закона Холла-Петча способна обусловить их значительный рост.
Это означает, что при уменьшении размеров кристаллических зерен увеличивается твердость материала – существуют определенные возможности увеличения до 108 ГПа.
3. Вюртцитный нитрид бора - твердость до 114 ГПа
Вюрцитная кристаллическая структура обеспечивает высокие показатели твердости данному материалу. При локальных структурных модификациях, во время приложения нагрузки конкретного типа, связи между атомами в решетке вещества перераспределяются. В этот момент качественная твердость материала становится больше на 78 %.
Лонсдейлит является аллотропной модификацией углерода и отличается явной схожестью с алмазом. Обнаружен твердый природный материал был в метеоритном кратере, образовавшись из графита – одного из компонентов метеорита, однако рекордной степенью прочности он не обладал.
Учеными было доказано еще в 2009 году, что отсутствие примесей способно обеспечить твердость, превышающую твердость алмаза. Высокие показатели твердости способны обеспечиваться в этом случае, как и в случае с вюртцитным нитридом бора.
Полимеризованный фуллерит считается в наше время самым твердым материалом, известным науке. Это структурированный молекулярный кристалл, узлы которого состоят из целых молекул, а не из отдельных атомов.
Твердость фуллерита составляет до 310 ГПа, и он способен поцарапать алмазную поверхность, как обычный пластик. Как видите, алмаз это больше не самый твёрдый природный материал в мире, науке доступны более твердые соединения.
Пока это самые твердые материалы на Земле, известные науке. Вполне возможно, в скором времени нас ждут новые открытия и прорыв в области химии/физики, что позволит добиться более высокой твердости.
Среди диковинок, скрытых в глубинах вселенной, вероятно, навсегда сохранит одно из значительных мест небольшая звёздочка близ Сириуса. Эта звезда состоит из вещества, в 60 000 раз более тяжёлого, нежели вода! Когда мы берём в руки стакан ртути, нас удивляет его грузность: он весит около 3 кг. Но что сказали бы мы о стакане вещества, весящем 12 т и требующем для перевозки железнодорожной платформы? Это кажется абсурдом, а между тем таково одно из открытий новейшей астрономии.
Открытие это имеет длинную и в высшей степени поучительную историю. Уже давно было замечено, что блистательный Сириус совершает своё собственное движение среди звёзд не по прямой линии, как большинство других звёзд, а по странному извилистому пути. Чтобы объяснить эти особенности его движения, известный астроном Бессель предположил, что Сириуса сопровождает спутник, своим притяжением «возмущающий» его движение. Это было в 1844 г. — за два года до того, как был открыт Нептун «на кончике пера». А в 1862 г., уже после смерти Бесселя, догадка его получила полное подтверждение, так как заподозренный спутник Сириуса был усмотрен в телескоп.
Спутник Сириуса — так называемый «Сириус В» — обращается около главной звезды в 49 лет на расстоянии, в 20 раз большем, чем Земля вокруг Солнца (т. е. примерно на расстоянии Урана). Это — слабая звёздочка восьмой-девятой величины, но масса её весьма внушительна, почти 0,8 массы нашего Солнца. На расстоянии Сириуса наше Солнце должно было бы светить звездой 1,8-й величины; поэтому если бы спутник Сириуса вмел поверхность, уменьшенную по сравнению с солнечной в соответствии с отношением масс этих светил, то при той же температуре он должен был бы сиять, как звезда примерно второй величины, а не восьмой-девятой. Столь слабую яркость астрономы первоначально объясняли низкой температурой на поверхности этой звезды; её рассматривали как остывающее солнце, покрывающееся уже твёрдой корой.
Но такое допущение оказалось ошибочным. Удалось установить, что скромный спутник Сириуса — вовсе не угасающая звезда, а напротив, принадлежит к звёздам с высокой поверхностной температурой, гораздо более высокой, чем у нашего Солнца. Это совершенно меняет дело. Слабую яркость приходится, следовательно, приписать только малой величине поверхности этой звезды. Вычислено, что она посылает в 360 раз меньше света, чем Солнце; значит, поверхность её должна быть по крайней мере в 360 раз меньше солнечной, а радиус в j/360, т. е. в 19 раз, меньше солнечного. Отсюда заключаем, что объём спутника Сириуса должен составлять менее чем 6800-ю долю объёма Солнца, между тем как масса его составляет почти 0,8 массы дневного светила. Уже это одно говорит о большой уплотнённости вещества этой звезды. Более точный расчёт даёт для диаметра планеты всего 40 000 км, а следовательно, для плотности — то чудовищное число, которое мы привели в начале раздела: в 60 000 раз больше плотности воды.
«Навострите уши, физики: замышляется вторжение в вашу область», — приходят на память слова Кеплера, сказанные им, правда, по другому поводу. Действительно, ничего подобного не мог представить себе до сих пор ни один физик. В обычных условиях столь значительное уплотнение совершенно немыслимо, так как промежутки между нормальными атомами в твёрдых телах слишком малы, чтобы допустимо было сколько-нибудь заметное сжатие их вещества. Иначе обстоит дело в случае «изувеченных» атомов, утративших те электроны, которые кружились вокруг ядер. Потеря электронов уменьшает поперечник атома в несколько тысяч раз, почти не уменьшая его веса; обнажённое ядро меньше нормального атома примерно во столько раз, во сколько муха меньше крупного здания. Сдвигаемые чудовищным давлением, господствующим в недрах звёздного шара, эти уменьшенные атомы-ядра могут сблизиться в тысячи раз теснее, чем нормальные атомы, и создать вещество той неслыханной плотности, какая обнаружена на спутнике Сириуса.
После сказанного не будет казаться невероятным открытие звезды, средняя плотность вещества которой ещё в 500 раз больше, чем у вещества упомянутой ранее звезды Сириус В. Мы говорим о небольшой звёздочке 13-й величины в созвездии Кассиопеи, открытой в конце 1935 г. Будучи по объёму не больше Марса и в восемь раз меньше земного шара, звезда эта обладает массой, почти втрое превышающей массу нашего Солнца (точнее, в 2,8 раза). В обычных единицах средняя плотность её вещества выражается числом 36 000 000 г/см3. Это означает, что 1 см3 такого вещества весил бы на Земле 36 т. Вещество это, следовательно, плотнее золота почти в 2 миллиона раз.
Немного лет назад учёные, конечно, считали бы немыслимым существование вещества в миллионы раз плотнее платины. Бездны мироздания скрывают, вероятно, ещё немало подобных диковинок природы.
Человек всегда стремился отыскать материалы, которые не оставляют никаких шансов своим конкурентам. Издревле учёные искали самые твердые материалы в мире , самые лёгкие и самые тяжелые. Жажда открытий привела к открытию идеального газа и идеально чёрного тела. Представляем вам самые удивительные вещества в мире.
1. Самое черное вещество
Самое чёрное вещество в мире называется Vantablack и состоит из совокупности углеродных нанотрубок (см. углерод и его аллотропные модификации). Проще говоря, материал состоит из бесчисленного множества «волосков», попав в которые, свет отскакивает от одной трубки к другой. Таким образом поглощается около 99,965% светового потока и лишь ничтожная часть отражается обратно наружу.
Открытие Vantablack открывает широкие перспективы применения этого материала в астрономии, электронике и оптике.
2. Самое горючее вещество
Трифторид хлора является самым горючим веществом из когда-либо известных человечеству. Является сильнейшим окислителем и реагирует практически со всеми химическими элементами. Трифторид хлора способен прожечь бетон и легко воспламеняет стекло! Применение трифторида хлора практически невозможно из-за его феноменальной воспламеняемости и невозможности обеспечить безопасность использования.
3. Самое ядовитое вещество
Самый сильный яд — это ботулотоксин. Мы знаем его под названием ботокс, именно так он называется в косметологии, где нашел свое основное применение. Ботулотоксин — это химическое вещество, которое выделяют бактерии Clostridium botulinum. Помимо того, что ботулотоксин — самое ядовитое вещество, так он ещё и обладает самой большой молекулярной массой среди белков. О феноменальной ядовитости вещества говорит тот факт, что достаточно всего 0,00002 мг мин/л ботулотоксина, чтобы на полдня сделать зону поражения смертельно опасной для человека.
4. Самое горячее вещество
Это, так называемый, кварк-глюонная плазма. Вещество было создано с помощью столкновением атомов золота при почти световой скорости. Кварк-глюонная плазма имеет температуру 4 триллиона градусов Цельсия. Для сравнения, этот показатель выше температуры Солнца в 250 000 раз! К сожалению, время жизни вещества ограничено триллионной одной триллионной секунды.
5. Самая едкая кислота
В этой номинации чемпионом становится фторидно-сурьмяная кислота H. Фторидно-сурьмяная кислота в 2×10 16 (двести квинтиллионов) раз более едкая, чем серная кислота. Это очень активное вещество, которое может взорваться при добавлении небольшого количества воды. Испарения этой кислоты смертельно ядовиты.
6. Самое взрывоопасное вещество
Самое взрывоопасное вещество — гептанитрокубан. Он очень дорогой и применяется лишь для научных исследований. А вот чуть менее взрывоопасный октоген успешно применяется в военном деле и в геологии при бурении скважин.
7. Самое радиоактивное вещество
«Полоний-210» — изотоп полония, который не существует в природе, а изготавливается человеком. Используется для создания миниатюрных, но в тоже время, очень мощных источников энергии. Имеет очень короткий период полураспада и поэтому способен вызывать тяжелейшую лучевую болезнь.
8. Самое тяжёлое вещество
Это, конечно же, фуллерит. Его твердость почти в 2 раза выше, чем у натуральных алмазов. Подробнее о фуллерите можно прочитать в нашей статье Самые твердые материалы в мире .
9. Самый сильный магнит
Самый сильный магнит в мире состоит из железа и азота . В настоящее время, широкой общественности недоступны детали об этом веществе, однако уже сейчас известно, что новый супер-магнит на 18% мощнее самых сильных магнитов применяющихся сейчас — неодимовых. Неодимовые магниты изготавливаются из неодима, железа и бора.
10. Самое текучее вещество
Сверхтекучий Гелий II почти не имеет вязкости при температурах близких к абсолютному нулю. Этим свойством обусловлено его уникальное свойство просачиваться и выливаться из сосуда, изготовленного из любого твёрдого материала. Гелий II имеет перспективы использования в качестве идеального термопроводника, в котором не рассеивается тепло.
Металлы человечество начало активно использовать еще в 3000-4000 годах до нашей эры. Тогда люди познакомились с самыми распространенными из них, это золото , серебро , медь. Эти металлы было очень легко найти на поверхности земли. Чуть позже они познали химию и начали выделять из них такие виды как олово, свинец и железо. В Средневековье набирали популярность очень ядовитые виды металлов. В обиходе был мышьяк , которым было отравлено больше половины королевского двора во Франции. Так же и , которая помогала вылечить разные болезни тех времен, начиная от ангины и до чумы. Уже до двадцатого столетия было известно более 60 металлов, а вначале XXI века – 90. Прогресс не стоит на месте и ведет человечество вперед. Но встает вопрос, какой металл является тяжелым и превосходит по весу все остальные? И вообще, какие они, эти самые тяжелые металлы в мире?
Многие ошибочно думают, что золото и свинец являются самыми тяжелыми металлами. Почему именно так сложилось? Многие из нас выросли на старых фильмах и видели, как главный герой использует свинцовую пластину для зашиты от злобных пуль. В добавок, и сегодня используют свинцовые пластины в некоторых видах бронежилетов. А при слове золото у многих всплывает картинка с тяжелыми слитками этого металла. Но думать, что они самые тяжелые – ошибочно!
Для определения самого тяжелого металла надо брать во внимание его плотность, ведь чем больше плотность вещества, тем оно тяжелее.
ТОП-10 самых тяжелых металлов в мире
- Осмий (22,62 г/см 3),
- Иридий (22,53 г/см 3),
- Платина (21,44 г/см 3),
- Рений (21,01 г/см 3),
- Нептуний (20,48 г/см 3),
- Плутоний (19,85 г/см 3),
- Золото (19,85 г/см 3)
- Вольфрам (19,21 г/см 3),
- Уран (18,92 г/см 3),
- Тантал (16,64 г/см 3).
И где же свинец? А он располагается намного ниже в данном списке, в середине второго десятка.
Осмий и иридий — самые тяжелые металлы в мире
Рассмотрим основных тяжеловесов, которые делят 1 и 2 места. Начнем с иридия и заодно произнесём слова благодарности в адрес английского ученого Смитсона Теннат, который в 1803 году получил этот химический элемент из платины, где присутствовал вместе с осмием в виде примеси. Иридий с древнегреческого можно перевести, как «радуга». Металл имеет белый цвет с серебряным оттенком и его можно назвать ни только тяжеловесным, но и самым прочным. На нашей планете его очень мало и за год его добывают всего до 10000 кг. Известно, что большинство месторождений иридия можно обнаружить на местах падения метеоритов. Некоторые ученые приходят к мысли, что данный металл ранее был широко распространён на нашей планете, однако из-за своего веса, он постоянно выдавливал себя ближе к центру Земли. Иридий сейчас широко востребован в промышленности и используется для получения электрической энергии. Так же его любят использовать палеонтологи, и с помощью иридия определяют возраст многих находок. Вдобавок, данный металл могут использовать для покрытия некоторых поверхностей. Но сделать это сложно.
Далее рассмотрим осмий. Он самый тяжёлый в периодической таблице Менделеева , ну, соответственно, и самый тяжелый в мире металл. Осмий имеет оловянно-белый с синим оттенок и также открыт Смитсоном Теннат одновременно с иридием. Осмий практически невозможно обработать и, в основном, его находят на местах падения метеоритов. Он неприятно пахнет, запах похож на смесь хлора и чеснока. И с древнегреческого переводится, как «запах». Металл довольно тугоплавкий и используется в лампочках и в других приборах с тугоплавкими металлами. За один только грамм этого элемента надо заплатить более 10000 долларов, из этого понятно, что метал очень редкий.
Осмий
Как не крути, самые тяжелые металлы являются большой редкостью и поэтому они дорого стоят. И надо запомнить на будущее, что ни золото, ни свинец – не самые тяжелые металлы в мире! Иридий и осмий – вот победители в весе!
Драгоценные металлы на протяжении веков пленили умы людей, которые готовы выложить огромные суммы за изделия из них,но металл, о котором идёт речь, не используют в ювелирном производстве. Осмий - это самое тяжёлое вещество на Земле, которое относится к редкоземельным драгоценным металлам. Благодаря высокой плотности, это вещество имеет большой вес. Является ли осмий самым тяжёлым веществом (среди известных) не только на планете Земля, но и в космосе?
Это вещество - блестящий металл серо-голубого цвета. Несмотря на то, что он является представителем рода благородных металлов, изготовить из него ювелирные украшения не предоставляется возможным, так как он очень твёрдый и при том хрупкий. Из-за этих качеств осмий тяжело поддается механической обработке, к этому ещё нужно добавить его солидный вес. Если взвесить кубик, сделанный из осмия (длина стороны 8 см) и сравнить его с весом 10-литрового ведра, наполненного водой, то первый окажется тяжелее второго на 1,5 кг.
Самое тяжёлое вещество на Земле было открыто в начале 18 века, благодаря проведению химических опытов с платиновой рудой путём растворения последней в царской водке (смесь азотной и соляной кислот). Поскольку осмий не растворяется в кислотах и щелочах, плавится при температуре чуть выше 3000°С, кипит - при 5012°С, не изменяет своей структуры при давлении,равном 770 ГПа, то его с уверенностью можно считать самым сильным веществом на Земле.
В чистом виде месторождений осмия в природе не существует, обычно он встречается в соединениях с другими химическими веществами. Его содержание в земной коре мизерно, а добыча - трудоемкая. Эти факторы сказывают огромное влияние на стоимости осмия, его цена поражает воображение, ведь он намного дороже золота.
Из-за своей дороговизны это вещество не используется широко в промышленных целях, а только в тех случаях, когда его применение обусловлено максимальной пользой. Благодаря комбинации осмия с другими металлами повышается износостойкость последних, их долговечность и сопротивляемость к механическим воздействиям (трению и коррозии металлов). Такие сплавы используют в ракетостроении, военной и авиа промышленности. Сплав осмия и платины используют в медицине для изготовления хирургических инструментов и имплантов. Его использование оправдано в производстве высокочувствительных приборов, часовых механизмов и компасов.
Интересен тот факт, что учёные находят осмий наряду с другими драгоценными металлами в химическом составе железных метеоритов, упавших на землю. Означает ли это, что данный элемент является самым тяжёлым веществом на Земле и в космосе?
Утверждать это трудно. Дело в том, что условия космического пространства очень сильно отличаются от земных, сила гравитации между объектами очень велика, что в свою очередь приводит к значительному увеличению плотности некоторых космических объектов. Один из примеров - звезды, состоящие из нейтронов. По земным меркам - это огромный вес в одном кубическом миллиметре. И это только крупицы познания, которыми обладает человечество.
Самым дорогим и тяжёлым веществом на земле является осмий-187, на мировом рынке его продаёт только Казахстан, но этому изотопу ещё не найдено применение в промышленности.
Добыча осмия - очень трудоемкий процесс, и до получения его в потребительском виде проходит не менее девяти месяцев. В связи с этим, годовая добыча осмия в мире составляет всего около 600 кг (это очень мало по сравнению с добычей золота, которое исчисляется в тысячах тонн ежегодно).
Название самого сильного вещества "осмий" переводится, как "запах", но сам металл ни чем не пахнет, однако запах появляется в процессе окисления осмия, и он достаточно неприятный.
Итак, по тяжести и плотности на Земле нет равных осмию, так же этот металл описывается, как самый редкий, самый дорогостоящий, самый стойкий, самый блестящий, а еще специалисты утверждают, что оксид осмия обладает очень сильной токсичностью.
