Die leichtesten und extrem langlebigen Materialien werden als die Zukunft des Bauens bezeichnet. Diese Materialien werden dazu beitragen, energieeffizientere und umweltfreundlichere Objekte in allen Lebensbereichen der Menschen zu schaffen – von der Medizintechnik bis zum Transport.

Unter den vielen innovativen Materialien, die noch vor nicht allzu langer Zeit einfach fantastisch erschienen, sind die folgenden besonders fortschrittlich und vielversprechend:

3D-Graphen

Dieses ultradünne Graphen besteht aus reinem Kohlenstoff und gilt als eines der stärksten Materialien der Erde. Doch kürzlich gelang es Forschern am MIT, zweidimensionales Graphen in eine dreidimensionale Struktur umzuwandeln. Sie schufen ein neues Material mit schwammiger Struktur. Die Dichte von 3D-Graphen beträgt nur 5 Prozent der von Stahl, ist aber aufgrund seiner besonderen Struktur zehnmal stärker als Stahl.

Laut den Machern hat 3D-Graphen großes Potenzial für den Einsatz in vielen Bereichen.

Was seine Herstellungstechnologie betrifft, kann es auf andere Materialien angewendet werden, von Polymeren bis hin zu Strukturbeton. Dadurch entstehen nicht nur stärkere und leichtere Strukturen, sondern auch bessere Isoliereigenschaften. Darüber hinaus können poröse Strukturen in Filtersystemen für Wasser oder Abfälle aus Chemiefabriken eingesetzt werden.

Karabiner

Im vergangenen Frühjahr gelang es einem Team österreichischer Forscher, Carbine zu synthetisieren, eine Form von Kohlenstoff, die das stärkste bekannte Material ist und sogar Graphen überlegen ist.

Carbin besteht aus einer eindimensionalen Kette von Kohlenstoffatomen, die chemisch reaktiv ist, was die Synthese sehr schwierig macht. Es wird angenommen, dass das unflexible Material doppelt so stark ist wie Kohlenstoffnanoröhren. Carbin kann in der Nanomechanik, Nano- und Mikroelektronik eingesetzt werden.

Aerographit

Airgraphit ist ein synthetischer Schaum, der aus einem Netzwerk poröser Kohlenstoffröhren besteht. Es ist eines der leichtesten Strukturmaterialien, die jemals hergestellt wurden. Aerographit wurde von Forschern der Universität Kiel und der Technischen Universität Hamburg entwickelt. Aerographit kann in verschiedenen Formen hergestellt werden, seine Dichte beträgt nur 180 g/m 3 und ist damit 75-mal leichter als expandiertes Polystyrol. Dieses Material kann in den Elektroden von Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt werden, um deren Gewicht zu reduzieren.

Airbrush

Es ist auch als Graphen-Aerogel bekannt und ein leichtes Material mit einer Dichte von nur 0,16 mlg/cm 3, was 7,5-mal weniger als die Dichte von Luft ist. Darüber hinaus ist es ein sehr elastisches Material und kann bis zu 900-mal mehr Öl und Wasser aufnehmen, als es wiegt. Diese Eigenschaft von Airgraphen ist sehr wichtig: Es kann Ölverschmutzungen in den Ozeanen absorbieren.

Es hat ähnliche Eigenschaften, die bereits von Forschern aus Argonne getestet werden.

Unter Festigkeit versteht man die Fähigkeit von Werkstoffen, der Zerstörung durch den Einfluss äußerer Kräfte und Faktoren, die zu inneren Spannungen führen, nicht zu erliegen. Materialien mit hoher Festigkeit haben ein breites Anwendungsspektrum. In der Natur gibt es nicht nur Hartmetalle und langlebige Holzarten, sondern auch künstlich hergestellte hochfeste Materialien. Viele Menschen sind sich sicher, dass Diamant das härteste Material der Welt ist, aber stimmt das wirklich?

Allgemeine Informationen:

Eröffnungsdatum: Anfang der 60er Jahre;

Entdecker - Sladkov, Kudryavtsev, Korshak, Kasatkin;

Dichte – 1,9-2 g/cm3.

Kürzlich haben Wissenschaftler aus Österreich ihre Arbeiten zur Etablierung einer nachhaltigen Produktion von Carbin abgeschlossen, einer allotropen Form von Kohlenstoff, die auf der sp-Hybridisierung von Kohlenstoffatomen basiert. Seine Festigkeitsindikatoren sind 40-mal höher als die von Diamant. Informationen hierzu wurden in einer der Ausgaben der Fachzeitschrift „Nature Materials“ veröffentlicht.

Nach sorgfältiger Untersuchung seiner Eigenschaften erklärten die Wissenschaftler, dass seine Stärke mit keinem zuvor entdeckten und untersuchten Material vergleichbar sei. Der Produktionsprozess stieß jedoch auf erhebliche Schwierigkeiten: Die Struktur von Carbin wird aus in langen Ketten gesammelten Kohlenstoffatomen gebildet, wodurch es während des Herstellungsprozesses zu zerfallen beginnt.

Um das festgestellte Problem zu beseitigen, haben Physiker der Wiener Staatsuniversität eine spezielle Schutzschicht entwickelt, in der Carbin synthetisiert wurde. Als Schutzschicht dienten übereinander gelegte und zu einer „Thermoskanne“ aufgerollte Graphenschichten. Während Physiker hart daran arbeiteten, stabile Formen zu erreichen, entdeckten sie, dass die elektrischen Eigenschaften eines Materials von der Länge der Atomkette beeinflusst werden.

Forscher haben nicht gelernt, wie man Carbin ohne Schaden aus einer Schutzschicht extrahieren kann, daher wird die Untersuchung des neuen Materials fortgesetzt. Wissenschaftler lassen sich nur von der relativen Stabilität der Atomketten leiten.

Carbyne ist eine wenig erforschte allotrope Modifikation von Kohlenstoff, deren Entdecker sowjetische Chemiker waren: A.M. Kudryavtsev, V.V. Kasatochkin. Informationen über das Ergebnis des Experiments mit einer detaillierten Beschreibung der Entdeckung des Materials im Jahr 1967 erschienen auf den Seiten einer der größten wissenschaftlichen Zeitschriften, „Berichte der Akademie der Wissenschaften der UdSSR“. 15 Jahre später erschien in der amerikanischen Fachzeitschrift Science ein Artikel, der Zweifel an den Ergebnissen sowjetischer Chemiker aufkommen ließ. Es stellte sich heraus, dass die der wenig untersuchten allotropen Modifikation von Kohlenstoff zugeordneten Signale mit dem Vorhandensein von Silikatverunreinigungen zusammenhängen könnten. Im Laufe der Jahre wurden ähnliche Signale im interstellaren Raum entdeckt.

Allgemeine Informationen:

Entdecker – Geim, Novoselov;

Wärmeleitfähigkeit – 1 TPa.

Graphen ist eine zweidimensionale allotrope Modifikation von Kohlenstoff, bei der die Atome zu einem hexagonalen Gitter zusammengefasst sind. Trotz der hohen Festigkeit von Graphen beträgt die Dicke seiner Schicht 1 Atom.

Die Entdecker des Materials waren die russischen Physiker Andrei Geim und Konstantin Novoselov. Die Wissenschaftler erhielten im eigenen Land keine finanzielle Unterstützung und beschlossen, in die Niederlande und in das Vereinigte Königreich Großbritannien und Nordirland zu ziehen. Im Jahr 2010 wurden Wissenschaftler mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

Auf einer Graphenplatte, deren Fläche einem Quadratmeter und der Dicke eines Atoms entspricht, können Gegenstände mit einem Gewicht von bis zu vier Kilogramm frei gehalten werden. Graphen ist nicht nur ein äußerst haltbares Material, sondern auch sehr flexibel. Aus einem Material mit solchen Eigenschaften wird es künftig möglich sein, Fäden und andere Seilstrukturen zu weben, deren Festigkeit dicken Stahlseilen in nichts nachsteht. Unter bestimmten Bedingungen kann das von russischen Physikern entdeckte Material Schäden an der Kristallstruktur verkraften.

Allgemeine Informationen:

Jahr der Eröffnung: 1967;

Farbe – braun-gelb;

Gemessene Dichte – 3,2 g/cm3;

Härte – 7-8 Einheiten auf der Mohs-Skala.

Die Struktur von Lonsdaleit, der in einem Meteoritenkrater entdeckt wurde, ähnelt der von Diamant; beide Materialien sind allotrope Modifikationen von Kohlenstoff. Höchstwahrscheinlich wurde durch die Explosion Graphit, einer der Bestandteile des Meteoriten, in Lonsdaleit umgewandelt. Zum Zeitpunkt der Entdeckung des Materials stellten Wissenschaftler keine hohe Härte fest, es wurde jedoch nachgewiesen, dass es der hohen Härte von Diamant in nichts nachsteht, wenn es keine Verunreinigungen enthält.

Allgemeine Informationen zu Bornitrid:

Dichte – 2,18 g/cm3;

Schmelzpunkt – 2973 Grad Celsius;

Kristallstruktur – sechseckiges Gitter;

Wärmeleitfähigkeit – 400 W/(m×K);

Härte – weniger als 10 Einheiten auf der Mohs-Skala.

Die Hauptunterschiede zwischen Wurtzit-Bornitrid, einer Verbindung aus Bor und Stickstoff, sind die thermische und chemische Beständigkeit sowie die Feuerbeständigkeit. Das Material kann verschiedene kristalline Formen haben. Graphit zum Beispiel ist das weichste, aber gleichzeitig stabilste Material, das in der Kosmetik verwendet wird. Die Sphaleritstruktur im Kristallgitter ähnelt der von Diamanten, ist jedoch hinsichtlich der Weichheit schlechter und weist gleichzeitig eine bessere chemische und thermische Beständigkeit auf. Diese Eigenschaften von Wurtzit-Bornitrid ermöglichen den Einsatz in Anlagen für Hochtemperaturprozesse.

Allgemeine Informationen:

Härte – 1000 H/m2;

Stärke – 4 Gn/m2;

Das Jahr der Entdeckung von metallischem Glas war 1960.

Metallisches Glas ist ein Material mit hoher Härte und einer ungeordneten Struktur auf atomarer Ebene. Der Hauptunterschied zwischen der Struktur von metallischem Glas und gewöhnlichem Glas ist seine hohe elektrische Leitfähigkeit. Solche Materialien werden durch eine Festkörperreaktion, schnelle Abkühlung oder Ionenbestrahlung gewonnen. Wissenschaftler haben gelernt, amorphe Metalle zu erfinden, deren Festigkeit dreimal höher ist als die von Stahllegierungen.

Allgemeine Informationen:

Elastizitätsgrenze – 1500 MPa;

KCU – 0,4–0,6 MJ/m2.

Allgemeine Informationen:

Schlagfestigkeit von KST – 0,25-0,3 MJ/m2;

Elastizitätsgrenze – 1500 MPa;

KCU – 0,4–0,6 MJ/m2.

Maraging-Stähle sind Eisenlegierungen, die eine hohe Schlagzähigkeit aufweisen, ohne ihre Duktilität zu verlieren. Trotz dieser Eigenschaften hält das Material die Schnittkante nicht. Durch Wärmebehandlung gewonnene Legierungen sind kohlenstoffarme Stoffe, die ihre Festigkeit aus intermetallischen Verbindungen beziehen. Die Legierung enthält Nickel, Kobalt und andere karbidbildende Elemente. Dieser hochfeste, hochlegierte Stahl ist aufgrund des geringen Kohlenstoffgehalts in seiner Zusammensetzung leicht zu verarbeiten. Ein Material mit diesen Eigenschaften findet Anwendung in der Luft- und Raumfahrt; es wird als Beschichtung für Raketengehäuse verwendet.

Osmium

Allgemeine Informationen:

Jahr der Eröffnung – 1803;

Die Gitterstruktur ist sechseckig;

Wärmeleitfähigkeit – (300 K) (87,6) W/(m×K);

Schmelzpunkt – 3306 K.

Zur Platingruppe gehört ein glänzendes, bläulich-weißes Metall mit hoher Festigkeit. Osmium verfügt über eine hohe Atomdichte, außergewöhnliche Feuerfestigkeit, Zerbrechlichkeit, hohe Festigkeit, Härte und Beständigkeit gegen mechanische Beanspruchung und aggressive Umwelteinflüsse und wird häufig in der Chirurgie, Instrumentierung, der chemischen Industrie, Elektronenmikroskopie, Raketentechnik und elektronischen Geräten eingesetzt.

Allgemeine Informationen:

Dichte – 1,3-2,1 t/m3;

Die Festigkeit von Kohlefaser beträgt 0,5–1 GPa;

Der Elastizitätsmodul hochfester Kohlenstofffasern beträgt 215 GPa.

Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe sind Materialien, die aus einer Kohlenstoffmatrix bestehen, die wiederum mit Kohlenstofffasern verstärkt ist. Die Hauptmerkmale von Verbundwerkstoffen sind hohe Festigkeit, Flexibilität und Schlagzähigkeit. Die Struktur von Verbundwerkstoffen kann entweder unidirektional oder dreidimensional sein. Aufgrund dieser Eigenschaften werden Verbundwerkstoffe in verschiedenen Bereichen, einschließlich der Luft- und Raumfahrtindustrie, häufig eingesetzt.

Allgemeine Informationen:

Das offizielle Entdeckungsjahr der Spinne ist 2010;

>Die Schlagfestigkeit des Vlieses beträgt 350 MJ/m3.

Zum ersten Mal wurde in der Nähe von Afrika, auf dem Inselstaat Madagaskar, eine Spinne entdeckt, die riesige Netze webt. Diese Spinnenart wurde 2010 offiziell entdeckt. Wissenschaftler interessierten sich vor allem für die von Arthropoden gesponnenen Netze. Der Durchmesser der Kreise auf dem Stützfaden kann bis zu zwei Meter betragen. Die Stärke von Darwins Netz übertrifft die von synthetischem Kevlar, das in der Luftfahrt- und Automobilindustrie verwendet wird.

Allgemeine Informationen:

Wärmeleitfähigkeit – 900–2300 W/(m×K);

Schmelzpunkt bei einem Druck von 11 GPa – 3700–4000 Grad Celsius;

Dichte – 3,47–3,55 g/cm3;

Brechungsindex – 2,417-2,419.

Diamant bedeutet aus dem Altgriechischen übersetzt „unzerstörbar“, aber Wissenschaftler haben neun weitere Elemente entdeckt, die ihm in puncto Stärke überlegen sind. Obwohl Diamant in einer gewöhnlichen Umgebung endlos existiert, kann er sich bei hohen Temperaturen und einem Inertgas in Graphit verwandeln. Diamant ist das Standardelement (auf der Mohs-Skala), das einen der höchsten Härtewerte aufweist. Wie viele Edelsteine ​​zeichnet er sich durch Lumineszenz aus, die ihn bei Sonneneinstrahlung funkeln lässt.

Die Welt um uns herum ist immer noch voller Geheimnisse, aber selbst Phänomene und Substanzen, die Wissenschaftlern seit langem bekannt sind, überraschen und erfreuen immer wieder. Wir bewundern leuchtende Farben, erfreuen uns am Geschmack und nutzen die Eigenschaften verschiedenster Stoffe, die unser Leben angenehmer, sicherer und angenehmer machen. Auf der Suche nach den zuverlässigsten und stärksten Materialien hat der Mensch viele aufregende Entdeckungen gemacht, und hier ist eine Auswahl von nur 25 dieser einzigartigen Verbindungen!

25. Diamanten

Wenn nicht jeder, dann weiß das mit Sicherheit fast jeder. Diamanten gehören nicht nur zu den am meisten verehrten Edelsteinen, sondern auch zu den härtesten Mineralien der Erde. Auf der Mohs-Skala (einer Härteskala, die die Reaktion eines Minerals auf Kratzer bewertet) wird ein Diamant in Zeile 10 aufgeführt. Insgesamt gibt es 10 Stufen auf der Skala, wobei die 10. die letzte und schwierigste Stufe ist. Diamanten sind so hart, dass sie von anderen Diamanten nur zerkratzt werden können.

24. Fangnetze der Spinnenart Caerostris darwini


Foto: pixabay

Man kann es kaum glauben, aber das Netz der Caerostris darwini-Spinne (oder Darwinspinne) ist stärker als Stahl und härter als Kevlar. Dieses Netz gilt als das härteste biologische Material der Welt, obwohl es bereits einen potenziellen Konkurrenten hat, die Daten jedoch noch nicht bestätigt wurden. Die Spinnenfaser wurde auf Eigenschaften wie Bruchfestigkeit, Schlagfestigkeit, Zugfestigkeit und Elastizitätsmodul (die Eigenschaft eines Materials, Dehnung und Kompression bei elastischer Verformung zu widerstehen) getestet, und bei all diesen Indikatoren zeigte sich das Spinnennetz am erstaunlichsten Weg. Darüber hinaus ist das Netz der Darwin-Spinnen unglaublich leicht. Wenn wir beispielsweise unseren Planeten mit Caerostris darwini-Fasern umwickeln, beträgt das Gewicht eines so langen Fadens nur 500 Gramm. Solch lange Netzwerke gibt es nicht, aber die theoretischen Berechnungen sind einfach erstaunlich!

23. Aerographit


Foto: BrokenSphere

Dieser synthetische Schaum ist eines der leichtesten Fasermaterialien der Welt und besteht aus einem Netzwerk von Kohlenstoffröhren mit nur wenigen Mikrometern Durchmesser. Aerographit ist 75-mal leichter als Schaumstoff, aber gleichzeitig viel stärker und flexibler. Es kann auf das 30-fache seiner ursprünglichen Größe komprimiert werden, ohne dass seine äußerst elastische Struktur beeinträchtigt wird. Dank dieser Eigenschaft hält Airgraphite-Schaum Belastungen bis zum 40.000-fachen seines Eigengewichts stand.

22. Palladium-Metallglas


Foto: pixabay

Ein Team von Wissenschaftlern des California Institute of Technology (Berkeley Lab) hat eine neue Art von Metallglas entwickelt, das eine nahezu ideale Kombination aus Festigkeit und Duktilität vereint. Der Grund für die Einzigartigkeit des neuen Materials liegt darin, dass seine chemische Struktur die Zerbrechlichkeit bestehender glasartiger Materialien erfolgreich verbirgt und gleichzeitig eine hohe Dauerfestigkeit aufrechterhält, was letztendlich die Dauerfestigkeit dieser synthetischen Struktur deutlich erhöht.

21. Wolframkarbid


Foto: pixabay

Wolframcarbid ist ein unglaublich hartes Material, das äußerst verschleißfest ist. Unter bestimmten Bedingungen gilt diese Verbindung als sehr spröde, bei starker Belastung zeigt sie jedoch einzigartige plastische Eigenschaften, die sich in Form von Gleitbändern manifestieren. Dank all dieser Eigenschaften wird Wolframcarbid bei der Herstellung von panzerbrechenden Spitzen und verschiedenen Geräten verwendet, darunter alle Arten von Fräsern, Schleifscheiben, Bohrern, Fräsern, Bohrern und anderen Schneidwerkzeugen.

20. Siliziumkarbid


Foto: Tiia Monto

Siliziumkarbid ist eines der Hauptmaterialien für die Herstellung von Kampfpanzern. Diese Verbindung ist für ihre geringen Kosten, ihre hervorragende Feuerfestigkeit und ihre hohe Härte bekannt und wird daher häufig bei der Herstellung von Geräten oder Geräten verwendet, die Kugeln abwehren, andere haltbare Materialien schneiden oder schleifen müssen. Aus Siliziumkarbid lassen sich hervorragende Schleifmittel, Halbleiter und sogar Schmuckeinsätze herstellen, die Diamanten imitieren.

19. Kubisches Bornitrid


Foto: Wikimedia Commons

Kubisches Bornitrid ist ein superhartes Material mit einer ähnlichen Härte wie Diamant, verfügt aber auch über eine Reihe besonderer Vorteile – hohe Temperaturstabilität und chemische Beständigkeit. Kubisches Bornitrid löst sich auch bei hohen Temperaturen nicht in Eisen und Nickel, während Diamant unter den gleichen Bedingungen recht schnell chemische Reaktionen eingeht. Dies ist tatsächlich von Vorteil für den Einsatz in industriellen Schleifwerkzeugen.

18. Ultrahochmolekulares Polyethylen (UHMWPE), Fasermarke Dyneema


Foto: Justsail

Hochmodul-Polyethylen weist eine extrem hohe Verschleißfestigkeit, einen niedrigen Reibungskoeffizienten und eine hohe Bruchzähigkeit (Zuverlässigkeit bei niedrigen Temperaturen) auf. Heute gilt es als der stärkste Faserstoff der Welt. Das Erstaunlichste an diesem Polyethylen ist, dass es leichter als Wasser ist und gleichzeitig Kugeln abwehren kann! Kabel und Seile aus Dyneema-Fasern sinken nicht im Wasser, benötigen keine Schmierung und verändern ihre Eigenschaften auch bei Nässe nicht, was für den Schiffbau sehr wichtig ist.

17. Titanlegierungen


Foto: Alchemist-hp (pse-mendelejew.de)

Titanlegierungen sind unglaublich duktil und zeigen bei Dehnung eine erstaunliche Festigkeit. Darüber hinaus verfügen sie über eine hohe Hitzebeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit, was sie in Bereichen wie dem Flugzeugbau, der Raketentechnik, dem Schiffbau, der Chemie-, Lebensmittel- und Verkehrstechnik äußerst nützlich macht.

16. Flüssigmetalllegierung


Foto: pixabay

Dieses 2003 am California Institute of Technology entwickelte Material ist für seine Festigkeit und Haltbarkeit bekannt. Der Name der Verbindung bedeutet etwas Sprödes und Flüssiges, bei Raumtemperatur ist sie jedoch extrem hart, verschleißfest, korrosionsbeständig und verwandelt sich bei Erwärmung wie Thermoplaste. Hauptanwendungsgebiete sind bisher die Herstellung von Uhren, Golfschlägern und Hüllen für Mobiltelefone (Vertu, iPhone).

15. Nanozellulose


Foto: pixabay

Nanozellulose wird aus Holzfasern isoliert und ist ein neuartiges Holzmaterial, das noch stärker als Stahl ist! Darüber hinaus ist Nanozellulose auch günstiger. Die Innovation hat großes Potenzial und könnte in Zukunft ernsthaft mit Glas- und Kohlefasern konkurrieren. Die Entwickler glauben, dass dieses Material bald bei der Herstellung von militärischen Rüstungen, superflexiblen Bildschirmen, Filtern, flexiblen Batterien, absorbierenden Aerogelen und Biokraftstoffen sehr gefragt sein wird.

14. Zähne von Napfschnecken


Foto: pixabay

Zuvor haben wir Ihnen bereits vom Fangnetz der Darwin-Spinne erzählt, das einst als das stärkste biologische Material auf dem Planeten galt. Eine aktuelle Studie hat jedoch gezeigt, dass die Napfschnecke die haltbarste biologische Substanz ist, die der Wissenschaft bekannt ist. Ja, diese Zähne sind stärker als das Netz von Caerostris darwini. Und das ist nicht verwunderlich, denn winzige Meeresbewohner ernähren sich von Algen, die auf der Oberfläche rauer Felsen wachsen, und um Nahrung vom Felsen zu trennen, müssen diese Tiere hart arbeiten. Wissenschaftler glauben, dass wir in Zukunft das Beispiel der faserigen Struktur der Zähne von Meeresnapfschnecken im Maschinenbau nutzen und nach dem Vorbild einfacher Schnecken mit dem Bau von Autos, Booten und sogar hochfesten Flugzeugen beginnen können.

13. Maraging-Stahl


Foto: pixabay

Maraging-Stahl ist eine hochfeste, hochlegierte Legierung mit ausgezeichneter Duktilität und Zähigkeit. Das Material ist in der Raketenwissenschaft weit verbreitet und wird zur Herstellung aller Arten von Werkzeugen verwendet.

12. Osmium


Foto: Periodictableru / www.periodictable.ru

Osmium ist ein unglaublich dichtes Element und seine Härte und sein hoher Schmelzpunkt erschweren die maschinelle Bearbeitung. Deshalb wird Osmium dort eingesetzt, wo Haltbarkeit und Festigkeit am meisten geschätzt werden. Osmiumlegierungen finden sich in elektrischen Kontakten, Raketen, militärischen Projektilen, chirurgischen Implantaten und vielen anderen Anwendungen.

11. Kevlar


Foto: Wikimedia Commons

Kevlar ist eine hochfeste Faser, die in Autoreifen, Bremsbelägen, Kabeln, prothetischen und orthopädischen Produkten, Körperschutz, Schutzkleidungsstoffen, im Schiffbau und Teilen unbemannter Luftfahrzeuge zu finden ist. Das Material ist fast zum Synonym für Festigkeit geworden und ist eine Kunststoffart mit unglaublich hoher Festigkeit und Elastizität. Die Zugfestigkeit von Kevlar ist achtmal höher als die von Stahldraht und es beginnt bei einer Temperatur von 450℃ zu schmelzen.

10. Ultrahochmolekulares Polyethylen hoher Dichte, Marke Spectra-Faser


Foto: Tomas Castelazo, www.tomascastelazo.com / Wikimedia Commons

UHMWPE ist im Wesentlichen ein sehr haltbarer Kunststoff. Spectra, eine UHMWPE-Marke, ist wiederum eine leichte Faser mit höchster Verschleißfestigkeit, die in diesem Indikator Stahl zehnmal überlegen ist. Spectra wird wie Kevlar bei der Herstellung von Körperpanzern und Schutzhelmen verwendet. Neben UHMWPE ist die Marke Dynimo Spectrum in der Schiffbau- und Transportindustrie beliebt.

9. Graphen


Foto: pixabay

Graphen ist ein Allotrop des Kohlenstoffs und sein nur ein Atom dickes Kristallgitter ist so stark, dass es 200-mal härter als Stahl ist. Graphen sieht aus wie Frischhaltefolie, aber es zu zerreißen ist eine fast unmögliche Aufgabe. Um eine Graphenplatte zu durchbohren, müssen Sie einen Bleistift hineinstecken und darauf eine Last balancieren, die einen ganzen Schulbus wiegt. Viel Glück!

8. Kohlenstoffnanoröhrenpapier


Foto: pixabay

Dank der Nanotechnologie ist es Wissenschaftlern gelungen, Papier herzustellen, das 50.000 Mal dünner ist als ein menschliches Haar. Platten aus Kohlenstoff-Nanoröhren sind zehnmal leichter als Stahl, aber das Erstaunlichste ist, dass sie bis zu 500-mal stärker als Stahl sind! Makroskopische Nanoröhrenplatten sind für die Herstellung von Superkondensatorelektroden am vielversprechendsten.

7. Mikrogitter aus Metall


Foto: pixabay

Das ist das leichteste Metall der Welt! Metall-Mikrogitter ist ein synthetisches poröses Material, das 100-mal leichter als Schaumstoff ist. Aber lassen Sie sich von ihrem Aussehen nicht täuschen, diese Mikronetze sind auch unglaublich langlebig, was ihnen ein großes Potenzial für den Einsatz in allen möglichen technischen Anwendungen bietet. Aus ihnen lassen sich hervorragende Stoßdämpfer und Wärmeisolatoren herstellen, und die erstaunliche Fähigkeit des Metalls, zu schrumpfen und in seinen ursprünglichen Zustand zurückzukehren, ermöglicht die Verwendung als Energiespeicher. Metallische Mikrogitter werden auch aktiv bei der Herstellung verschiedener Teile für Flugzeuge des amerikanischen Unternehmens Boeing eingesetzt.

6. Kohlenstoffnanoröhren


Foto: Benutzer Mströck / en.wikipedia

Wir haben oben bereits über ultrastarke makroskopische Platten aus Kohlenstoffnanoröhren gesprochen. Aber was ist das für ein Material? Im Wesentlichen handelt es sich hierbei um zu einer Röhre gerollte Graphenebenen (9. Punkt). Das Ergebnis ist ein unglaublich leichtes, belastbares und langlebiges Material mit einem breiten Anwendungsspektrum.

5. Airbrush


Foto: Wikimedia Commons

Dieses auch als Graphen-Aerogel bekannte Material ist extrem leicht und gleichzeitig stark. Das neuartige Gel ersetzt die flüssige Phase vollständig durch eine gasförmige Phase und zeichnet sich durch sensationelle Härte, Hitzebeständigkeit, geringe Dichte und geringe Wärmeleitfähigkeit aus. Unglaublicherweise ist Graphen-Aerogel siebenmal leichter als Luft! Die einzigartige Verbindung ist in der Lage, auch nach 90 % Kompression ihre ursprüngliche Form wiederherzustellen und eine Ölmenge aufzunehmen, die dem 900-fachen Gewicht des zur Absorption verwendeten Airgraphens entspricht. Vielleicht hilft diese Materialklasse in Zukunft bei der Bekämpfung von Umweltkatastrophen wie Ölverschmutzungen.

4. Unbenanntes Material, entwickelt vom Massachusetts Institute of Technology (MIT)


Foto: pixabay

Während Sie dies lesen, arbeitet ein Team von Wissenschaftlern des MIT daran, die Eigenschaften von Graphen zu verbessern. Den Forschern sei es bereits gelungen, die zweidimensionale Struktur dieses Materials in eine dreidimensionale umzuwandeln. Der neue Stoff Graphen hat seinen Namen noch nicht erhalten, aber es ist bereits bekannt, dass seine Dichte 20-mal geringer als die von Stahl und seine Festigkeit 10-mal höher als die von Stahl ist.

3. Karabiner


Foto von : Smokefoot

Obwohl es sich nur um lineare Ketten aus Kohlenstoffatomen handelt, hat Carbin die doppelte Zugfestigkeit von Graphen und ist dreimal härter als Diamant!

2. Bornitrid-Wurtzit-Modifikation


Foto: pixabay

Dieser neu entdeckte Naturstoff entsteht bei Vulkanausbrüchen und ist 18 % härter als Diamanten. Allerdings ist es Diamanten in einer Reihe anderer Parameter überlegen. Wurtzit-Bornitrid ist einer von nur zwei natürlichen Stoffen auf der Erde, der härter als Diamant ist. Das Problem besteht darin, dass es in der Natur nur sehr wenige solcher Nitride gibt und sie daher nicht einfach zu untersuchen oder in der Praxis anzuwenden sind.

1. Lonsdaleit


Foto: pixabay

Lonsdaleit, auch als hexagonaler Diamant bekannt, besteht aus Kohlenstoffatomen, aber in dieser Modifikation sind die Atome etwas anders angeordnet. Wie Wurtzit-Bornitrid ist Lonsdaleit eine natürliche Substanz, die in ihrer Härte dem Diamant überlegen ist. Darüber hinaus ist dieses erstaunliche Mineral bis zu 58 % härter als Diamant! Diese Verbindung ist wie Wurtzit-Bornitrid äußerst selten. Manchmal entsteht Lonsdaleit bei der Kollision von graphithaltigen Meteoriten mit der Erde.

Wissen Sie, welches Material auf unserem Planeten als das stärkste gilt? Aus der Schule wissen wir alle, dass Diamant das stärkste Mineral ist, aber es ist bei weitem nicht das stärkste.

Härte ist nicht die Haupteigenschaft, die Materie charakterisiert. Einige Eigenschaften können Kratzer verhindern, während andere die Elastizität fördern. Möchten Sie mehr wissen? Hier ist eine Bewertung von Materialien, die sehr schwer zu zerstören sind.

Diamant in seiner ganzen Pracht

Ein klassisches Beispiel für Stärke, festgehalten in Lehrbüchern und Köpfen. Aufgrund seiner Härte ist es kratzfest. Auf der Mohs-Skala (einer qualitativen Skala, die die Widerstandsfähigkeit verschiedener Mineralien misst) erreicht Diamant einen Wert von 10 (die Skala reicht von 1 bis 10, wobei 10 die härteste Substanz ist). Diamant ist so hart, dass zum Schleifen andere Diamanten verwendet werden müssen.

Ein Netz, das einen Airbus stoppen kann

Darwins Netz wird oft als die komplexeste biologische Substanz der Welt bezeichnet (obwohl diese Behauptung inzwischen von seinen Erfindern bestritten wird). Es ist stärker als Stahl und weist eine größere Steifigkeit als Kevlar auf. Nicht weniger bemerkenswert ist sein Gewicht: Ein Faden, der lang genug ist, um die Erde zu umrunden, wiegt nur 0,5 kg.

Aerographit in einer regulären Verpackung

Dieser synthetische Schaum ist einer der leichtesten Baustoffe der Welt. Aerographit ist etwa 75-mal leichter als Polystyrolschaum (aber viel stärker!). Dieses Material kann auf das 30-fache seiner ursprünglichen Größe komprimiert werden, ohne dass seine Struktur beschädigt wird. Ein weiterer interessanter Punkt: Aerographit kann das 40.000-fache seines Eigengewichts tragen.

Glas während eines Crashtests

Diese Substanz wurde von Wissenschaftlern in Kalifornien entwickelt. Mikrolegierungsglas weist eine nahezu perfekte Kombination aus Steifigkeit und Festigkeit auf. Der Grund dafür ist, dass seine chemische Struktur die Sprödigkeit von Glas verringert, aber die Steifigkeit von Palladium beibehält.

Wolframbohrer

Wolframkarbid ist unglaublich hart und weist eine qualitativ hohe Steifigkeit auf, ist jedoch recht spröde und lässt sich leicht biegen.

Siliziumkarbid in Form von Kristallen

Aus diesem Material werden Panzerungen für Kampfpanzer hergestellt. Tatsächlich wird es in fast allem verwendet, was vor Kugeln schützen kann. Es hat eine Mohs-Härte von 9 und weist außerdem eine geringe Wärmeausdehnung auf.

Molekulare Struktur von Bornitrid

Kubisches Bornitrid ist ungefähr so ​​stark wie Diamant und hat einen wichtigen Vorteil: Es ist bei hohen Temperaturen in Nickel und Eisen unlöslich. Aus diesem Grund können diese Elemente (Diamantformen von Nitriden mit Eisen und Nickel) bei hohen Temperaturen verarbeitet werden.

Dyneema-Kabel

Gilt als die stärkste Faser der Welt. Diese Tatsache wird Sie vielleicht überraschen: Dainima ist leichter als Wasser, kann aber Kugeln abwehren!

Legierungsrohr

Titanlegierungen sind äußerst flexibel und weisen eine sehr hohe Zugfestigkeit auf, verfügen jedoch nicht über die gleiche Steifigkeit wie Stahllegierungen.

Amorphe Metalle ändern leicht ihre Form

Liquidmetal wurde von Caltech entwickelt. Trotz des Namens ist dieses Metall nicht flüssig und weist bei Raumtemperatur eine hohe Festigkeit und Verschleißfestigkeit auf. Beim Erhitzen können amorphe Legierungen ihre Form verändern.

Zukünftiges Papier könnte härter sein als Diamanten

Diese neueste Erfindung wird aus Zellstoff hergestellt und ist stärker als Stahl! Und viel günstiger. Viele Wissenschaftler halten Nanozellulose für eine günstige Alternative zu Palladiumglas und Kohlefaser.

Untertassenschale

Wir haben bereits erwähnt, dass Darwins Spinnen Fäden aus einigen der stärksten organischen Materialien auf der Erde spinnen. Dennoch erwiesen sich die Zähne der Napfschnecke als noch stärker als die Schwimmhäute. Napfschneckenzähne sind extrem robust. Der Grund für diese erstaunlichen Eigenschaften ist der Zweck: das Sammeln von Algen von der Oberfläche von Felsen und Korallen. Wissenschaftler glauben, dass wir in Zukunft die Faserstruktur von Napfschneckenzähnen kopieren und in der Automobilindustrie, auf Schiffen und sogar in der Luftfahrtindustrie verwenden könnten.

Eine Raketenstufe, in der viele Komponenten Maraging-Stähle enthalten

Dieser Stoff vereint ein hohes Maß an Festigkeit und Steifigkeit ohne Elastizitätsverlust. Stahllegierungen dieser Art werden in der Luft- und Raumfahrt sowie in der industriellen Fertigungstechnik eingesetzt.

Osmiumkristall

Osmium ist extrem dicht. Es wird bei der Herstellung von Dingen verwendet, die ein hohes Maß an Festigkeit und Härte erfordern (elektrische Kontakte, Spitzengriffe usw.).

Kevlar-Helm stoppte eine Kugel

Kevlar wird in allem verwendet, von Trommeln bis hin zu kugelsicheren Westen, und ist ein Synonym für Robustheit. Kevlar ist ein Kunststoff mit extrem hoher Zugfestigkeit. Tatsächlich ist es etwa achtmal größer als Stahldraht! Es hält auch Temperaturen um 450℃ stand.

Spectra-Pfeifen

Hochleistungspolyethylen ist ein wirklich langlebiger Kunststoff. Dieser leichte, starke Faden hält unglaublichen Spannungen stand und ist zehnmal stärker als Stahl. Ähnlich wie Kevlar wird Spectra auch für ballistische Westen, Helme und gepanzerte Fahrzeuge verwendet.

Flexibler Graphen-Bildschirm

Eine ein Atom dicke Schicht Graphen (ein Allotrop aus Kohlenstoff) ist 200-mal stärker als Stahl. Obwohl Graphen wie Zellophan aussieht, ist es wirklich erstaunlich. Um ein Standard-A1-Blatt dieses Materials zu durchbohren, müsste ein Schulbus auf einem Bleistift balancieren!

Neue Technologie, die unser Verständnis von Stärke revolutionieren könnte

Diese Nanotechnologie besteht aus Kohlenstoffröhrchen, die 50.000 Mal dünner sind als menschliches Haar. Dies erklärt, warum es zehnmal leichter als Stahl, aber 500-mal stärker ist.

Mikrogitterlegierungen werden regelmäßig in Satelliten eingesetzt

Das leichteste Metall der Welt, das Metallmikrogitter, ist auch eines der leichtesten Strukturmaterialien auf der Erde. Einige Wissenschaftler behaupten, dass es 100-mal leichter ist als Polystyrolschaum! Als poröses, aber äußerst festes Material wird es in vielen Bereichen der Technik eingesetzt. Boeing hat den Einsatz in Flugzeugen erwähnt, hauptsächlich in Böden, Sitzen und Wänden.

Nanoröhrenmodell

Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) können als „nahtlose zylindrische Hohlfasern“ beschrieben werden, die aus einer einzigen gerollten Molekülschicht aus reinem Graphit bestehen. Das Ergebnis ist ein sehr leichtes Material. Im Nanomaßstab haben Kohlenstoffnanoröhren eine 200-mal höhere Festigkeit als Stahl.

Fantastisches Airbrush ist kaum zu beschreiben!

Auch als Graphen-Aerogel bekannt. Stellen Sie sich die Stärke von Graphen in Kombination mit unvorstellbarer Leichtigkeit vor. Aerogel ist 7-mal leichter als Luft! Dieses unglaubliche Material kann sich nach einer Kompression von über 90 % vollständig erholen und bis zum 900-fachen seines Gewichts an Öl absorbieren. Es besteht die Hoffnung, dass dieses Material zur Beseitigung von Ölverschmutzungen eingesetzt werden kann.

Hauptgebäude des Massachusetts Polytechnic

Zum jetzigen Zeitpunkt glauben Wissenschaftler am MIT, das Geheimnis zur Maximierung der 2D-Stärke von Graphen in 3D entdeckt zu haben. Ihre noch unbenannte Substanz hat möglicherweise etwa 5 % der Dichte von Stahl, aber die zehnfache Festigkeit.

Molekulare Struktur von Carbin

Obwohl Carbin aus einer einzigen Atomkette besteht, ist es doppelt so zugfest wie Graphen und dreimal so steif wie Diamant.

Geburtsort von Bornitrid

Diese natürliche Substanz wird in den Kratern aktiver Vulkane produziert und ist 18 % stärker als Diamant. Es ist einer von zwei natürlich vorkommenden Stoffen, die derzeit als härter als Diamanten gelten. Das Problem ist, dass es nicht viel von dieser Substanz gibt und es jetzt schwierig ist, mit Sicherheit zu sagen, ob diese Aussage zu 100 % wahr ist.

Meteoriten sind die Hauptquellen für Lonsdaleit

Dieser auch als hexagonaler Diamant bekannte Stoff besteht aus Kohlenstoffatomen, die jedoch einfach unterschiedlich angeordnet sind. Zusammen mit Wurtzit-Bornitrid ist es einer von zwei Naturstoffen, die härter als Diamant sind. Tatsächlich ist Lonsdaleite 58 % härter! Allerdings kommt es, wie bei der vorherigen Substanz, in relativ geringen Mengen vor. Manchmal tritt es auf, wenn Graphitmeteoriten mit dem Planeten Erde kollidieren.

Die Zukunft steht vor der Tür und so können wir bis zum Ende des 21. Jahrhunderts mit der Entstehung ultrastarker und ultraleichter Materialien rechnen, die Kevlar und Diamanten ersetzen werden. Mittlerweile kann man über die Entwicklung moderner Technologien nur staunen.

Jeder von Ihnen weiß, dass Diamant auch heute noch der Härtestandard ist. Bei der Bestimmung der mechanischen Härte von auf der Erde vorkommenden Materialien wird die Härte von Diamant als Maßstab herangezogen: bei Messung nach der Mohs-Methode – in Form einer Oberflächenprobe, nach der Vickers- oder Rockwell-Methode – als Eindringkörper (als härter). Körper bei der Untersuchung eines Körpers mit geringerer Härte). Heutzutage gibt es mehrere Materialien, deren Härte den Eigenschaften von Diamant nahekommt.

Dabei werden Originalmaterialien anhand ihrer Mikrohärte nach der Vickers-Methode verglichen, wobei das Material bei Werten von mehr als 40 GPa als superhart gilt. Die Härte von Materialien kann je nach den Eigenschaften der Probensynthese oder der Richtung der auf sie ausgeübten Belastung variieren.

Schwankungen der Härtewerte von 70 bis 150 GPa sind ein allgemein anerkannter Begriff für feste Werkstoffe, wobei 115 GPa als Referenzwert gelten. Schauen wir uns die 10 härtesten Materialien außer Diamant an, die in der Natur vorkommen.

10. Borsuboxid (B 6 O) – Härte bis 45 GPa

Borsuboxid hat die Fähigkeit, ikosaederförmige Körner zu erzeugen. Bei den gebildeten Körnern handelt es sich nicht um isolierte Kristalle oder Varianten von Quasikristallen, sondern um eigenartige Zwillingskristalle, die aus zwei Dutzend gepaarten tetraedrischen Kristallen bestehen.

10. Rheniumdiborid (ReB 2) – Härte 48 GPa

Viele Forscher fragen sich, ob dieses Material als superhartes Material eingestuft werden kann. Dies ist auf die sehr ungewöhnlichen mechanischen Eigenschaften des Gelenks zurückzuführen.

Der schichtweise Wechsel verschiedener Atome macht dieses Material anisotrop. Daher sind Härtemessungen unterschiedlich, wenn verschiedene Arten von Kristallebenen vorhanden sind. So ergaben Tests von Rheniumdiborid bei geringer Belastung eine Härte von 48 GPa, mit zunehmender Belastung wird die Härte deutlich geringer und liegt bei etwa 22 GPa.

8. Magnesiumaluminiumborid (AlMgB 14) – Härte bis 51 GPa

Die Zusammensetzung ist eine Mischung aus Aluminium, Magnesium, Bor mit geringer Gleitreibung sowie hoher Härte. Diese Eigenschaften könnten ein Segen für die Herstellung moderner Maschinen und Mechanismen sein, die ohne Schmierung arbeiten. Allerdings gilt die Verwendung des Materials in dieser Variante immer noch als unerschwinglich teuer.

AlMgB14 – spezielle Dünnfilme, die durch gepulste Laserabscheidung hergestellt werden, können eine Mikrohärte von bis zu 51 GPa erreichen.

7. Bor-Kohlenstoff-Silizium – Härte bis 70 GPa

Die Basis einer solchen Verbindung verleiht der Legierung Eigenschaften, die eine optimale Beständigkeit gegen negative chemische Einflüsse und hohe Temperaturen bedeuten. Dieses Material verfügt über eine Mikrohärte von bis zu 70 GPa.

6. Borcarbid B 4 C (B 12 C 3) – Härte bis 72 GPa

Ein weiteres Material ist Borcarbid. Der Stoff begann fast unmittelbar nach seiner Erfindung im 18. Jahrhundert recht aktiv in verschiedenen Industriebereichen eingesetzt zu werden.

Die Mikrohärte des Materials erreicht 49 GPa, es wurde jedoch nachgewiesen, dass dieser Wert durch die Zugabe von Argonionen zur Struktur des Kristallgitters erhöht werden kann – bis zu 72 GPa.

5. Kohlenstoff-Bornitrid – Härte bis zu 76 GPa

Forscher und Wissenschaftler aus aller Welt versuchen seit langem, komplexe superharte Materialien zu synthetisieren und haben bereits greifbare Ergebnisse erzielt. Die Bestandteile der Verbindung sind Bor-, Kohlenstoff- und Stickstoffatome – ähnlich groß. Die qualitative Härte des Materials erreicht 76 GPa.

4. Nanostrukturierter Cubonit – Härte bis 108 GPa

Das Material wird auch Kingsongit, Borazon oder Elbor genannt und verfügt zudem über einzigartige Eigenschaften, die in der modernen Industrie erfolgreich eingesetzt werden. Bei Cubonit-Härtewerten von 80–90 GPa, die nahe am Diamantstandard liegen, kann die Kraft des Hall-Petch-Gesetzes zu einem deutlichen Anstieg führen.

Dies bedeutet, dass mit abnehmender Größe der kristallinen Körner die Härte des Materials zunimmt – es gibt bestimmte Möglichkeiten, sie auf bis zu 108 GPa zu erhöhen.

3. Wurtzit-Bornitrid – Härte bis 114 GPa

Die Wurtzit-Kristallstruktur verleiht diesem Material eine hohe Härte. Bei lokalen Strukturveränderungen kommt es bei der Einwirkung einer bestimmten Belastungsart zu einer Neuverteilung der Bindungen zwischen Atomen im Stoffgitter. In diesem Moment erhöht sich die Qualitätshärte des Materials um 78 %.

Lonsdaleit ist eine allotrope Modifikation von Kohlenstoff und weist eine deutliche Ähnlichkeit mit Diamant auf. In einem Meteoritenkrater wurde ein festes natürliches Material entdeckt, das aus Graphit, einem der Bestandteile des Meteoriten, gebildet wurde, aber keine Rekordfestigkeit aufwies.

Wissenschaftler haben bereits 2009 bewiesen, dass das Fehlen von Verunreinigungen zu einer Härte führen kann, die über der von Diamant liegt. Dabei können wie beim Wurtzit-Bornitrid hohe Härtewerte erreicht werden.

Polymerisierter Fullerit gilt heutzutage als das härteste Material, das der Wissenschaft bekannt ist. Hierbei handelt es sich um einen strukturierten Molekülkristall, dessen Knoten aus ganzen Molekülen und nicht aus einzelnen Atomen bestehen.

Fullerit hat eine Härte von bis zu 310 GPa und kann eine Diamantoberfläche wie normaler Kunststoff zerkratzen. Wie Sie sehen, ist Diamant nicht mehr das härteste Naturmaterial der Welt; der Wissenschaft stehen härtere Verbindungen zur Verfügung.

Bisher sind dies die härtesten Materialien der Erde, die der Wissenschaft bekannt sind. Es ist gut möglich, dass uns bald neue Entdeckungen und Durchbrüche auf dem Gebiet der Chemie/Physik erwarten, die es uns ermöglichen, höhere Härten zu erreichen.