Carbon là một trong những nguyên tố tuyệt vời nhất trong tự nhiên, với các đặc tính hóa học và vật lý khác với các nguyên tố khác. Chỉ với 6 proton trong hạt nhân của nó, cacbon là nguyên tố nhẹ nhất có khả năng hình thành các liên kết hóa học phức tạp. Tất cả các dạng sống đã biết đều dựa trên cacbon, vì các nguyên tử cacbon có thể hình thành liên kết hóa học với tối đa bốn nguyên tử cùng một lúc.
Dưới áp suất cao, cacbon cũng có thể kết hợp với các nguyên tử cacbon khác để tạo thành cấu trúc mạng tinh thể ổn định. Nếu các điều kiện thích hợp, các nguyên tử cacbon cũng có thể tạo thành một cấu trúc cực kỳ bền và siêu cứng được gọi là kim cương.
Mặc dù kim cương được biết đến là chất cứng nhất trên thế giới, nhưng thực tế có 6 chất liệu còn tốt hơn cả kim cương. Tất nhiên, kim cương vẫn là một trong những vật liệu tự nhiên cứng nhất trên Trái đất, nhưng thật khó để so sánh với sáu vật liệu này.
Có ba chất trên Trái đất không cứng bằng kim cương, nhưng vẫn đáng được nhắc đến vì chúng hoạt động tốt trên nhiều phương diện. Với sự phát triển của công nghệ nano, cùng với sự hiểu biết tốt hơn về các vật liệu hiện đại ở kích thước nano, hiện nay chúng ta nhận ra rằng có rất nhiều thước đo có thể được sử dụng để đánh giá các đặc tính của vật liệu ở kích thước nano. những vật liệu cực đoan này.
Hãy bắt đầu với sinh học. Mặc dù tơ nhện trông rất mỏng manh nhưng thực chất nó là một chất liệu rất bền. Tỷ lệ sức mạnh trên trọng lượng của nó vượt trội hơn nhiều so với các vật liệu truyền thống như nhôm và sắt, đồng thời nó rất mỏng và dính. Trong tất cả các loài nhện trên thế giới, tơ của nhện vỏ cây Darwin là loại tơ bền nhất, bền gấp 10 lần so với sợi Kevlar tổng hợp.
Một chất tự nhiên khác được gọi là cacbua silic (thường ở dạng moissanite) chỉ cứng hơn kim cương một chút. Các hạt cacbua silic đã được sản xuất trên quy mô lớn từ năm 1893. Silic và cacbon thuộc cùng một họ nguyên tố, và có thể tạo thành vật liệu cực kỳ cứng này ở áp suất cao nhưng nhiệt độ tương đối thấp thông qua một quá trình gọi là thiêu kết.
Những vật liệu này không chỉ phù hợp với nhiều tình huống cần độ cứng cao như má phanh, ly hợp, thân xe, giáp xe tăng,… mà còn có đặc tính bán dẫn cực tốt nên còn đóng vai trò quan trọng trong sản xuất linh kiện điện tử.
Khoảng 20 năm trước, các nhà khoa học lần đầu tiên phát triển các hạt cầu nano silicon với đường kính từ 2 nanomet đến 50 nanomet. Điều đáng kinh ngạc nhất là những quả cầu nano này rỗng và không chỉ có thể tự lắp ráp thành hình cầu mà còn có thể liên kết với nhau. Nó cũng là một trong những vật liệu cứng nhất mà con người biết đến, chỉ kém kim cương một chút về độ cứng.
Tự lắp ráp là một công cụ cực kỳ mạnh mẽ trong tự nhiên, nhưng so với vật liệu tổng hợp, vật liệu sinh học yếu hơn về mặt này. Các hạt nano tự lắp ráp này có thể được sử dụng để tạo ra các vật liệu tùy chỉnh như bộ lọc nước hoạt động tốt hơn, pin mặt trời hiệu quả hơn, chất xúc tác hoặc thiết bị điện tử nhanh hơn. Tuy nhiên, kịch bản ứng dụng lý tưởng nhất là một bộ áo giáp được “thiết kế riêng” cho phù hợp với cơ thể người dùng.
Trên thực tế, không một loại vật liệu nào có thể sánh được với độ cứng của kim cương. Trong tất cả các vật liệu được tìm thấy hoặc tạo ra trên Trái đất, kim cương là vật liệu cứng thứ bảy. Trong khi một số vật liệu tự nhiên (nhưng rất hiếm) và tổng hợp đã vượt qua kim cương về độ cứng thì trong ấn tượng của nhiều người, kim cương vẫn là chất có độ cứng cao nhất.
Tuy nhiên, có sáu vật liệu đánh bại kim cương về độ cứng.
Ngoài carbon, nhiều nguyên tử hoặc hợp chất khác có thể tạo thành tinh thể, và boron nitride là một trong số đó. Boron và nitơ lần lượt chiếm vị trí thứ năm và thứ bảy trong bảng tuần hoàn, và khi hai nguyên tố này kết hợp với nhau, chúng có thể tạo thành nhiều hợp chất khác nhau, bao gồm chất rắn vô định hình, tinh thể lục phương (tương tự như than chì), hệ tinh thể lập phương (tương tự như kim cương, nhưng cấu trúc kém mạnh hơn một chút), và wurtzite.
Trong số này, mẫu cuối cùng là cực phẩm nhất và chất liệu cũng cực kỳ cứng cáp. Vật liệu này được hình thành trong quá trình phun trào núi lửa và cho đến nay người ta mới chỉ tìm thấy một lượng rất nhỏ nên hiện tại các nhà khoa học chưa thể kiểm tra độ cứng của nó bằng thực nghiệm. Nhưng những mô phỏng mới nhất cho thấy nó có thể tạo thành một loại cấu trúc cứng hơn kim cương 18%.
Trong ảnh là hai viên kim cương được thu hồi từ miệng núi lửa Popigai. Bên trái là kim cương nguyên chất, bên phải là hỗn hợp kim cương và một lượng nhỏ Lonsdaleite. Nếu có viên đá Lonsdaleite nào không lẫn tạp chất thì độ bền và độ cứng của nó sẽ tốt hơn kim cương nguyên chất gấp nhiều lần.
Kim cương chết thật là một tinh thể lập phương, còn Lonsdaleite là một hệ tinh thể lục giác, thành phần cấu tạo tương tự như kim cương nhưng có thể cứng hơn kim cương tới 58%. Vì vậy, người ta còn gọi Lonsdaleite là kim cương lục giác (một dạng thù hình của cacbon có mạng tinh thể lục giác). Trong tự nhiên, nó hình thành khi các thiên thạch chứa than chì va vào Trái đất. Lượng nhiệt và áp suất lớn của vụ va chạm đã biến graphit thành kim cương, nhưng cấu trúc mạng lục giác của graphit vẫn được bảo toàn. Lonsdaleite lần đầu tiên được xác định vào năm 1967 trong thiên thạch Canyon Diablo, có vẻ như có các tinh thể rất nhỏ liên kết với kim cương.
Dyneema là một loại polyme polyetylen nhiệt dẻo có trọng lượng phân tử cực cao. Hầu hết các phân tử chúng ta biết chỉ có vài nghìn đơn vị khối lượng nguyên tử, nhưng chuỗi phân tử của polyetylen có khối lượng phân tử siêu cao thì cực kỳ dài, và trọng lượng của một phân tử có thể tính bằng hàng chục triệu đơn vị khối lượng nguyên tử.
Với một chuỗi phân tử dài như vậy, tương tác giữa các phân tử sẽ được tăng cường rất nhiều. Trên thực tế, vật liệu có độ bền va đập cao nhất trong tất cả các loại nhựa nhiệt dẻo được biết đến, được coi là vật liệu dạng sợi mạnh nhất trên thế giới, vượt trội hơn tất cả các loại dây buộc và dây kéo trên thế giới. thị trường, nhẹ hơn nước và chống đạn.
Tất cả các vật liệu vật lý đều có hai đặc tính quan trọng: sức bền và độ dẻo dai; Độ bền là lực cần thiết để làm biến dạng một vật liệu và độ dẻo dai là lực cần thiết để làm vỡ hoặc phá vỡ một vật liệu. Hầu hết các chất liệu gốm sứ đều rất bền nhưng độ dẻo dai rất kém, dễ bị gãy nếu kẹp quá chặt hoặc vô tình làm rơi. Mặt khác, các vật liệu đàn hồi như cao su không dễ vỡ, nhưng chúng rất dễ biến dạng và có độ cứng cực thấp.
Hầu hết các vật liệu thủy tinh đều dễ vỡ, độ bền cao và độ dẻo dai thấp. Ngay cả kính cường lực như kính Pyrex hoặc kính Corning cũng không đủ mạnh để làm vật liệu riêng. Nhưng vào năm 2011, các nhà nghiên cứu đã phát minh ra một loại kính siêu nhỏ mới, chứa 5 nguyên tố: phốt pho, silicon, germani, bạc và palladium. Trong số đó, palađi có thể tạo thành các dải cắt, cho phép kính không bị biến dạng dẻo khi va chạm và không bị vỡ trực tiếp. Vật liệu này là sự kết hợp của độ bền và độ dẻo dai cực cao, có thể dễ dàng đánh bại bất kỳ loại thép và thủy tinh nào có sẵn và cũng là vật liệu không chứa carbon cứng nhất trên thế giới.
Từ cuối thế kỷ 20, một vật liệu gọi là ống nano carbon đã được biết đến là “cứng hơn kim cương”. Chất này thuộc hệ tinh thể lục giác, cấu trúc tổng thể là hình elip, và tính ổn định của nó tốt hơn bất kỳ cấu trúc nào đã biết. Nếu bạn kết hợp một số lượng lớn các ống nano carbon vào một bề mặt phẳng, bạn sẽ có được một loại “giấy” mỏng gọi là buckypaper.
Ngoài buckypaper, có một cấu trúc cứng không kém được gọi là buckyball, được tạo thành từ 60 nguyên tử carbon liên kết với nhau. Buckyball cũng là một vật liệu tự nhiên có thể được hình thành trong một số môi trường vũ trụ nhất định. Buckyball dù đã được ứng dụng trong lĩnh vực nano nhưng vẫn chưa đạt được sản lượng định lượng, và tạm thời chưa thể hiện được “tài năng” của mình ở quy mô vĩ mô nên không được đưa vào danh sách. Cuốn sách này.
Để so sánh, mỗi ống nano tạo nên buckypaper chỉ có đường kính từ 2 đến 4 nanomet, nhưng cấu trúc rất chắc chắn nên nó có thể được kết hợp thành các tấm vật liệu có diện tích lớn hơn. Trọng lượng của nó chỉ bằng 10% thép, nhưng nó cứng hơn hàng trăm lần. Ngoài ra, vật liệu này còn có khả năng chống cháy, dẫn nhiệt hiệu quả cao, khả năng che chắn điện từ vượt trội, có triển vọng ứng dụng phong phú trong khoa học vật liệu, linh kiện điện tử, quân sự và thậm chí. thậm chí cả sinh học.
Cuối cùng, hãy xem xét một cấu trúc mạng lục giác bao gồm các nguyên tử cacbon – graphene, chỉ dày một nguyên tử. Sau khi được điều chế thành công, graphene vảy được kỳ vọng sẽ trở thành vật liệu mang tính cách mạng nhất của thế kỷ 21. Graphene thực sự là thành phần cấu trúc cơ bản nhất của ống nano carbon và có rất nhiều tình huống ứng dụng. sử dụng.
Ở cùng độ dày, graphene là vật liệu mạnh nhất được biết đến, với khả năng dẫn nhiệt và dẫn điện vô song, khả năng truyền ánh sáng đạt 100%. Giải Nobel Vật lý năm 2010 được trao cho Andrei Geim và Konstantin Novoselov vì các thí nghiệm của họ trên graphene. Cho đến nay, graphene vẫn là vật liệu mỏng nhất mà chúng ta biết. Và chỉ mất sáu năm để Game và Novoselov từ nghiên cứu đến trao giải, đây là một trong những kỷ lục nhanh nhất trong ngành vật lý.
Tổng hợp: Công Nghệ Chính Nhân
