Ученые выяснили какой материал на Земле самый прочный
До последнего момента считалось, что самым прочным материалом на нашей планете является графен, поэтому его даже называли материалом будущего. Он представляет собой двумерную аллотропную модификацию углерода. То есть это углерод, который имеет однослойную кристаллическую решетку (толщиной в один атом) треугольной формы. По своей прочности он в 200 раз превосходит сталь. Однако в недавнем исследован сотрудники Бристольского университета доказали, что существует материал, который более чем в 100 раз прочнее графена. Более того, он более устойчив чем графен к экстремально низким температурам. Но что это за материал? Он представляет собой сплав из трех металлов, о котором подробнее расскажем ниже.
Ученые обнаружили сплав, который остается сверхпрочным даже при очень низких температурах
Какой материал прочнее графена
Как сообщают ученые в своем исследовании, опубликованном в журнале Science, самым прочным материалом планете на самом деле является сплав трех металлов — хрома, кобальта и никеля. Это сплав с высокой энтропией (ВЭС). То есть данный сплав, о котором пишут ученые, содержит три металла в равных пропорциях. Такие сплавы редко встречаются. Как правило, они имеют основное вещество, в которое добавляется небольшое количество других элементов для придания ему тех или иных свойств.
Надо сказать, что преимуществом материала помимо высокой прочности являются некоторые уникальные свойства. Он обладает пластичностью и податливостью, что делает его устойчивым к разрушению. Но самое интересное, что его прочность повышается по мере снижения температуры, при этом сохраняется пластичность. Другие материалы, как известно, по мере снижения температуры становятся менее прочными и более хрупкими.
Микроскопические изображения сплава кобальта, хрома и никеля
Для сравнения, сплавы алюминия, которые применяют в авиастроении, имеют ударную вязкость 35 мегапаскалей на метр. Прочность данного же сплава превышает 500 мегапаскалей на метр. По этому параметру данный сплав значительно превосходит графен, который очень хрупок.
Кроме того, высокая прочность графена сохраняется исключительно в малых масштабах, то есть на нанометровом уровне. Поэтому область его применения ограничена. Ранее мы рассказывали, что он, к примеру, может найти применение в медицине. Что касается сплава кобальта хрома и никеля, этот материал был протестирован на слитке размером с пачку сигарет.
Кристаллическая решетка графена, который считался самым прочным материалом на Земле
Свойства самого прочного материала
При проверке материала на прочность, исследователи охладили его при помощи жидкого азота до температуры в -196 градусов по Цельсию. При этом они обнаружили, что прочность только увеличилась. Тогда команда решила охладить материал еще больше, и подвергла его воздействую жидкого гелия. Это позволило охладить материал до -253 градуса по Цельсию.
Даже при такой низкой температуре сплав показал исключительную вязкость и трещиностойкость. Но с чем связана его поразительная пластичность? Исследование показало, что атомы внутри сплава начинают смещаться под давлением, то есть сдвигаются друг относительно друга. В результате по мере повышения давления сплав продолжает деформироваться, но не разрушается. Причем по мере увеличения давления, срабатывают разные механизмы на молекулярном уровне, которые защищают сплав от разрушения.
Сплав кобальта, хрома и никеля может быть востребован в космической отрасли
Область применения сверхпрочного сплава
Прежде чем применять сплав на практике, ученым придется провести ряд дополнительных испытаний. Однако команда настроена оптимистично. Существует множество отраслей, где крайне важно, чтобы материал обладал высокой прочностью при экстремально низких температурах. В первую очередь это космическая отрасль — сплав может пригодиться в самых разных проектах.
Кроме того, ему найдется применение и на Земле. В последнее время многие автопроизводители разрабатывают или даже уже выпускают автомобили с водородными, экологически чистыми двигателями. Однако водород известен своей взрывоопасностью. Собственно говоря, по этой причине долгое время его рассматривали в качестве топлива. Из данного сплава можно будет изготавливать баллоны для водорода, что сделает автомобили более безопасными.
Обязательно подписывайтесь на ЯНДЕКС.ДЗЕН КАНАЛ, где вас ожидают поистине захватывающие и увлекательные материалы.
Однако у этого сплава имеются и некоторые недостатки. Главный из них заключается в очень высокой стоимости никеля и кобальта. Поэтому ученые работают над поиском других сплавов, из более доступных элементов, которые будут обладать такими же свойствами.
В 300 раз прочнее стали, в 7 раз легче воздуха
Графен представляет собой двухмерные соты атомов углерода. Его открытие было настолько значительным, что принесло российским ученым Андрею Гейму и Константину Новоселову нобелевскую премию по физике в 2010 году.
Иллюстрация: Wikimedia Commons/AlexanderAlUS/CC BY-SA 3.0
Почти каждый материал, с которым мы сталкиваемся, трехмерный. Мы только начинаем понимать, как изменяются свойства трехмерного материала, в его двумерной форме. Изучение графена помогает продвигаться в этом направлении.
Так же как алмаз или графит, графен является модификацией углерода.
Почему этот материал так важен?
Самые полезные свойства графена:
• чрезвычайно прочен (до 300 раз прочнее стали)
• проводит электрический ток (проводит электричество при комнатной температуре, с плотностью тока в 6 раз выше, чем медь)
• гибкий
• обладает рекордной теплопроводностью
Иллюстрация: Wikimedia Commons/ ANikolajev/CC BY-SA 3.0
Графен — самый тонкий и легкий из известных материалов. Лист графена площадью 1 квадратный метр весит всего 0,0077 грамма, но способен выдержать до четырех килограммов веса. Аэрогель на основе графена в 7 раз легче воздуха.
Потенциальные области применения
• Ультра-быстрая зарядка аккумуляторов
• Более быстрая флэш-память
• Ультратонкие прочные сенсорные экраны
• Электронная бумага на основе графена, которая может обновлять информацию
• Быстрые и эффективные приборы для измерения глюкозы, холестерина, и даже исследования ДНК
• Наушники с феноменальной частотной характеристикой
• Суперконденсаторы, которые оставят батарейки в прошлом
• Новые водонепроницаемые покрытия
• Более прочные и легкие самолеты
• Опреснение и фильтрация воды
• Бионические устройства, которые могут напрямую подключаться к нейронам вашего тела
Графен представляет собой двухмерные соты атомов углерода. Его открытие было настолько значительным, что принесло российским ученым Андрею Гейму и Константину Новоселову нобелевскую премию по физике в 2010 году.
Иллюстрация: Wikimedia Commons/AlexanderAlUS/CC BY-SA 3.0
Почти каждый материал, с которым мы сталкиваемся, трехмерный. Мы только начинаем понимать, как изменяются свойства трехмерного материала, в его двумерной форме. Изучение графена помогает продвигаться в этом направлении.
Так же как алмаз или графит, графен является модификацией углерода.
Почему этот материал так важен?
Самые полезные свойства графена:
• чрезвычайно прочен (до 300 раз прочнее стали)
• проводит электрический ток (проводит электричество при комнатной температуре, с плотностью тока в 6 раз выше, чем медь)
• гибкий
• обладает рекордной теплопроводностью
Иллюстрация: Wikimedia Commons/ ANikolajev/CC BY-SA 3.0
Графен — самый тонкий и легкий из известных материалов. Лист графена площадью 1 квадратный метр весит всего 0,0077 грамма, но способен выдержать до четырех килограммов веса. Аэрогель на основе графена в 7 раз легче воздуха.
Потенциальные области применения
• Ультра-быстрая зарядка аккумуляторов
• Более быстрая флэш-память
• Ультратонкие прочные сенсорные экраны
• Электронная бумага на основе графена, которая может обновлять информацию
• Быстрые и эффективные приборы для измерения глюкозы, холестерина, и даже исследования ДНК
• Наушники с феноменальной частотной характеристикой
• Суперконденсаторы, которые оставят батарейки в прошлом
• Новые водонепроницаемые покрытия
• Более прочные и легкие самолеты
• Опреснение и фильтрация воды
• Бионические устройства, которые могут напрямую подключаться к нейронам вашего тела
На основе графена создан материал в 10 раз прочнее стали
Группа американских ученых из Массачусетского технологического института создала сверхпрочный материал, в состав которого входит графен. Об открытии пишет портал Engadget. Благодаря своим свойствам, этот материал губчатой формы прочнее стали в 10 раз. Для экспериментов ученые печатали модели на 3D-принтере. Они утверждают, что форма предмета в данном случае гораздо важнее его состава.
Графен примерно в сто раз жестче стали, а также гораздо лучше проводит электричество и рассеивает тепло. Массовое производство соединения необходимо для электроники, аккумуляторов и топливных катализаторов. За опыты с этим материалом в 2010 году была присуждена Нобелевская премия по физике.
Когда случится графеновая революция
После вручения в 2010 году Нобелевской премии по физике за опыты с графеном Андрею Гейму и Константину Новоселову все ждали наступления новой эры электроники. Однако массово применять чудо-материал до сих пор не начали. Мы разобрались почему.
Графен — это слой графита толщиной в один атом. Черная полоска, которую оставляет простой карандаш на бумаге, содержит тысячи слоев графена. Стопка из 3 млн листов графена — не толще 1 мм. При этом материал в 200 раз прочнее стали. Еще более полувека назад существование графена предсказали теоретические расчеты. Но никому не удавалось изолировать тончайший слой и доказать, что он способен находиться в свободной форме. Лишь в 2004 году ученые из Манчестерского университета Андрей Гейм и Константин Новоселов получили графен в лаборатории. Причем сделали они это с помощью подручных материалов — скотча и куска графита, вроде того, что используется в карандашах. Исследователи отслаивали клейкой лентой тончайшие чешуйки графита и переносили их на подложку из оксида кремния, а после с помощью микроскопа искали участки, где получился моноатомный слой.С тех пор началась настоящая графеновая лихорадка: университеты и научные центры по всему миру развернули программы по исследованию нового материала. В Сингапуре открыли центр по изучению двумерных материалов, к которым относится графен, а в Великобритании создали Национальный институт графена.
Материя будущего
Графен имеет уникальную двумерную структуру — атомы углерода формируют плоскость. Из графена образуются остальные модификации углерода — 0D-шары (фуллерены), 1D-нанотрубки и 3D-графит. Связи между атомами в плоской структуре очень прочные: два листа графена, наложенные друг на друга, выдерживают выстрел из огнестрельного оружия. При этом графен невероятно легкий. Созданный на его основе аэрогель на 99,8% состоит из воздуха и выдерживает вес, превышающий собственный в 4 тыс. раз.
Эти свойства уже оценили исследователи из Кембриджского университета: они накормили графеном пауков, и те стали производить паутину в десятки раз прочнее обычной. Пекинский институт авиационных материалов совместно с Национальным институтом графена разрабатывает на основе графена сверхсплавы для облегченных самолетов. Графен обладает электрической проводимостью, и его можно использовать в электронике. Недавно компания Samsung представила новые аккумуляторы, которые вмещают на 45% больше энергии, чем современные литий-ионные батареи, и заряжаются в пять раз быстрее. Ноу-хау — покрытие катода графеновыми шариками.
Кроме прочности и электропроводности у графена есть еще одно свойство: он сам способен создавать энергию. Этот материал хоть и двумерный, но не абсолютно плоский. Структура графена напоминает рябь на воде — случайные колебания атомов создают «волны», которые выгибаются попеременно то в одну, то в другую сторону. Исследователи из Университета Арканзаса поместили лист графена между двумя электродами и получили крошечный источник энергии. 20 тыс. таких генераторов могут бесконечно подзаряжать небольшое устройство вроде электронных наручных часов. Такая батарея уместится на кончике булавки.
Российские разработки
Мир двумерных материалов богат российскими именами. Исследователи из МФТИ создали на основе оксида графена биосенсор для доклинических испытаний лекарств против ВИЧ, гепатита и рака. С помощью чипа, покрытого этим материалом, можно проследить, как идет та или иная химическая реакция между лекарством и живой тканью, выяснить, как вещество действует на вирусы и болезнетворные бактерии. Чувствительность этого чипа в три раза выше, чем у аналогов.
Недавно ученые из СПбГУ модифицировали графен и придали ему свойства «магнитного золота». После взаимодействия с кобальтом и золотом этот и без того уникальный материал приобрел свойства металлов — магнетизм и спин-орбитальное взаимодействие. Эти характеристики позволят использовать графен для усовершенствования квантовых компьютеров.
Согласно базе данных научных публикаций Web of Science, активнее всего в исследовании графена китайцы: 43% работ издали ученые из Поднебесной. За ними американцы, 18%, и корейцы — 8%. Россия в этом рейтинге занимает 14-е место — всего 2% публикаций.
Братья графена
Получение графена дало толчок к появлению огромного семейства двумерных материа- лов. Особый интерес вызывают те, что созданы на основе металлов. Для них двумерное состояние противоестественно, их просто не должно быть в природе. Считалось, что такие материалы нестабильны в виде монослоя и могут существовать только в виде толстых пленок. Но исследования показали, что это не всегда так.
Одним из недавних открытий в этой области стал двумерный оксид меди. Его в прошлом году создал коллектив ученых из России и Японии. Материал, в отличие от своего объемного аналога ферромагнетика, обладает антиферромагнетизмом — низкой намагниченностью. Это позволяет записать один бит информации всего на 12 атомов, тогда как сегодняшним технологиям требуется несколько тысяч атомов. То есть можно говорить о создании магнитной памяти.
Проблема получения
Почему эти потрясающие разработки не применяются массово? Все дело в том, что произвести много графена не так-то просто. Метод, которым его получили Гейм и Новоселов, называется механической эксфолиацией. Он очень прост и дает материал высочайшего качества. Однако отслаивать скотчем тонну графена придется годами.
За последние 10 лет ученые предложили множество способов промышленного изготовления: химическое отслаивание, жидкофазное и термическое отслаивание, химическое осаждение из газовой фазы, молекулярно-лучевую эпитаксию, лазерную абляцию… Однако достичь таких высоких характеристик, как при механической эксфолиации, до сих пор не удалось. Но методы постоянно улучшаются, и эра графена уже не за горами.
Желающим повторить подвиг Гейма и Новоселова в домашних условиях предлагаем метод, похожий на жидкофазное отслаивание. Возьмите блендер мощностью не менее 400 Вт, налейте в чашу 500 мл воды и 10 мл любого моющего средства, добавьте 20 г толченого грифеля. Далее прибор должен поработать от 10 минут до получаса, до появления взвеси из чешуек графена.