أقوى 10 مواد عرفها الإنسان

يستند هذا الترتيب إلى قوة الشد (GPa) باستثناء ما هو مذكور. يتم تضمين بعض المواد (مثل الهلام الهوائي) لخصائصها الفريدة، مثل الكثافة المنخفضة للغاية أو المقاومة الحرارية.

ملحوظة: تشير كلمة "الأقوى" هنا إلى قوة الشد (مقاومة التفكك). بالنسبة للصلابة (مقاومة الخدش)، يظل الماس هو المادة الطبيعية الأكثر صلابة (موس 10).

1. الجرافين (130 جيجا باسكال)

يُعدّ الجرافين أقوى مادة معروفة، إذ يتمتّع بقوة شدّ لا مثيل لها بسبب شبكته الكربونية ذات الذرة الواحدة السميكة.

الجرافين هو عبارة عن غشاء ثنائي الأبعاد على شكل قرص عسل مكون من ذرات الكربون مع تهجين sp2. وهو عبارة عن بنية صفائح أحادية الطبقة منفصلة عن الجرافيت وهو أيضًا أنحف مادة معروفة. وتبلغ قوة الشد ومعامل المرونة في الجرافين 130 جيجا باسكال و1.1 تي باسكال على التوالي، وتبلغ قوته 100 ضعف قوة الفولاذ العادي. تُعدّ الأكياس المصنوعة من الجرافين، التي يمكنها حمل حوالي 2 طن من الوزن، أقوى مادة معروفة إلى حد بعيد.

2. لونسداليت (121 ~ 130 جيجا باسكال)

يعتبر اللونسديلايت، وهو شكل سداسي نادر من الماس، أقوى نظرياً من الماس التقليدي.

وقد اكتشف الجيولوجي الأمريكي "لونسدايت" لأول مرة في فوهة بركان على يد الجيولوجي الأمريكي "لونسدايت" وعرّفه على أنه ألماس نيزكي سداسي الأضلاع. ومثل الماس، فهو مصنوع من ذرات الكربون، لكن ذرات الكربون فيه مرتبة بأشكال مختلفة. تُظهر نتائج المحاكاة أن لونسداليت أكثر مقاومة للضغط بنسبة 58% من الماس.

3. الماس (90 ~ 100 جيجا باسكال)

يتميّز الألماس بقوة شدّ وصلابة استثنائية بفضل بنيته البلورية الرباعية الأوجه المدمجة.

ويُعدّ الألماس أقسى مادة طبيعية على الأرض، وهو أحد متآصلات الكربون. صلابة الألماس هي أعلى مستوى من صلابة موس - الدرجة 10. وتبلغ صلابته الدقيقة 10000 كجم/م2، أي أعلى من الكوارتز بمقدار 1000 مرة من الكوارتز وأعلى من الياقوت الأزرق بمقدار 150 مرة.

4. الأنابيب النانوية الكربونية (63 جيجا باسكال)

تجمع الأنابيب النانوية الكربونية بين القوة القصوى والوزن الخفيف، مما يجعلها مثالية للمواد النانوية الهيكلية.

الأنابيب النانوية الكربونية (CNTs) هي مواد كموميةأحادية البعد تتكون من ترتيبات ذرات الكربون سداسية الشكل التي تتشكل في أنابيب متحدة المحور. يمكن تصنيفها على أنها أنابيب نانوية كربونية أحادية الجدار (SWCNTs) أو أنابيب نانوية كربونية متعددة الجدران (MWCNTs) اعتماداً على عدد طبقات الجرافين. وتتمتع الأنابيب النانوية الكربونية بخصائص ميكانيكية ممتازة، حيث تبلغ قوة شدها 63 جيجا باسكال. ويمكن أن يصل معامل مرونتها إلى 1 تيرابايت باسكال، وهو ما يعادل معامل مرونة الماس وحوالي 5 أضعاف معامل مرونة الفولاذ.

5. أنابيب نانو نيتريد البورون (33 جيجا باسكال)

على غرار الكربون، يمكن أن يشكّل نيتريد البورون صفائح أحادية الذرة يمكن أن تلتف لتكوين أنابيب نانوية. وتتشابه أنابيب نيتريد البورون النانوية (BNNTs) من الناحية الهيكلية مع الأنابيب النانوية الكربونية وتوفر قوة شد مماثلة، حيث تبلغ قيمتها حوالي 33 جيجا باسكال. تأتي ميزتها الحقيقية من الاستقرار الحراري والكيميائي الاستثنائي، بالإضافة إلى الترابط البيني القوي مع البوليمرات - تُظهر الأنابيب النانوية نيتريد البورون النانوية قوة بينية أعلى بنسبة 30% مع PMMA وحوالي 20% أعلى مع راتنجات الإيبوكسي مقارنةً بالأنابيب النانوية الكربونية.

وتتميز أنابيب نيتريد البورون النانوية بخصائص بصرية وخصائص توصيل ميكانيكية وحرارية ممتازة، فضلاً عن تحملها لدرجات الحرارة العالية وامتصاصها للإشعاع النيوتروني، وبالتالي تصبح إضافات فعالة للتحسين الميكانيكي أو الحراري للبوليمر والسيراميك والمركبات المعدنية. وتشمل التطبيقات الإضافية لأنابيب نيتريد البورون النانوية الدروع الواقية والعوازل الكهربائية وأجهزة الاستشعار.

6. ألياف البولي إيثيلين فائق الوزن الجزيئي (UHMWPE) (30.84 جيجا باسكال)

تُستخدم ألياف البولي إيثيلين فائقة الوزن الجزيئي في الدروع والأجهزة الطبية نظرًا لارتفاع نسبة قوتها إلى وزنها.

UHMWPE هو نوع من الألياف المصنوعة من البولي إيثيلين بوزن جزيئي نسبي يتراوح بين مليون إلى 5 ملايين، وهو حاليًا أحد أقوى وأخف الألياف في العالم. وهو أقوى 15 مرة من الأسلاك الفولاذية ولكنه خفيف الوزن جدًا، وهو أخف وزنًا بنسبة 40% على الأكثر من مواد مثل الأراميد.

7. الزجاج المعدني (1.61 جيجا باسكال)

يتميز الزجاج المعدني بقوة ومرونة عالية بسبب بنيته الذرية غير المنتظمة.

يُطلق على الزجاج المعدني أيضًا اسم المعدن غير المتبلور، وهو عادةً سبيكة ذات بنية غير متبلورة وبنية زجاجية. ويحدد هذا التركيب المزدوج أن له العديد من الخصائص التي تتفوق على خصائص المعدن البلوري والزجاج، مثل الموصلية الكهربائية الجيدة والقوة العالية والمرونة العالية والمقاومة للتآكل والتآكل. الزجاج المعدني أقوى من الفولاذ وأصلب من فولاذ الأدوات الصلبة.

8. حرير العنكبوت لحاء داروين (1.6 جيجا باسكال)

يبرز حرير العنكبوت هذا كواحد من أقوى المواد البيولوجية، ويتفوق على معظم الألياف الاصطناعية.

تم العثور على نوع جديد من العنكبوت، عنكبوت لحاء داروين، في مدغشقر، ليصنع أكبر وأصلب شبكة في العالم. يبلغ عرض شبكة العنكبوت 25 مترًا، وهي أقوى مادة بيولوجية تمت دراستها على الإطلاق، وأقوى 10 مرات من الكيفلر من نفس الحجم.

9. كربيد السيليكون (0.3 جيجا باسكال)

كربيد السيليكون هو سيراميك متين معروف بمقاومته للحرارة وقوة الشد المعتدلة.

كربيد السيليكون هو معدن طبيعي في الطبيعة، أو يُصنع من رمل الكوارتز وفحم الكوك البترولي (أو فحم الكوك الفحم) ورقائق الخشب وغيرها من المواد الخام عن طريق الصهر في درجة حرارة عالية في فرن مقاوم. يتميز كربيد السيليكون بصلابة تصل إلى 9.5 درجة صلابة موس، وهو ما يأتي في المرتبة الثانية بعد الماس الأكثر صلابة في العالم. بالإضافة إلى ذلك، يتمتع كربيد السيليكون بموصلية حرارية ممتازة. وهو نوع من أشباه الموصلات ويمكنه مقاومة الأكسدة في درجات الحرارة العالية.

10. الهلام الهوائي (0.02 جيجا باسكال)

الهلام الهوائي هو مادة خفيفة للغاية ذات قوة شد ضئيلة، ولكنها ذات قيمة للعزل الحراري.

الهلام الهوائي هو شكل من أشكال المواد الصلبة التي لها أقل كثافة في العالم. وتتمتع الهلام الهوائي بنسبة قوة إلى الوزن ملحوظة بسبب كثافتها المنخفضة للغاية ويمكنها تحمل قوى ضغط تفوق كتلتها بآلاف المرات، وتظل مستقرة حرارياً حتى 1200 درجة مئوية.

هل أنت مهتم بالحصول على مواد عالية الأداء للأبحاث أو التطبيقات الصناعية؟ توفر شركة Stanford Advanced Materials (SAM) مجموعة واسعة من المواد المتقدمة، بما في ذلك الجرافين والأنابيب النانوية الكربونية وألياف البولي إيثيلين عالي الكثافة. تعرف على المزيد على موقعنا الإلكتروني.

المراجع

1. بانيرجي، أ. وآخرون (2018). التشوه المرن الفائق المرونة للماس النانوي. العلوم، 360(6386)، 300-302.
2. Chen, X., Dmuchowski, C., Park, C., Fay, C., & Ke, C. (2017). التوصيف الكمي للخصائص الهيكلية والميكانيكية لأنابيب نانو نيتريد البورون النانوية في بيئات درجات الحرارة العالية. التقارير العلمية، 7.
3. فئة الفيزياء في الأكاديمية الملكية السويدية للعلوم. (2010، 5 أكتوبر). خلفية علمية عن جائزة نوبل في الفيزياء 2010: الجرافين [PDF]. جائزة نوبل. مؤرشف
4. Ding, J., J., Chen, G., Huang, W., Cheng, J., Li, T., Cheng, C., & Xu, J. (2024). إحصائيات قوة الشد وآلية الكسر لألياف البولي إيثيلين ذات الوزن الجزيئي العالي جدًا: على توزيع الويبول. ACS Omega, 9.
5. كازوكي تاكاشيما، أكيرا إيشيدا. (2008). المعادن والسبائك. في Y.B. Gianchandani, O. Tabata, & H. Zappe (محرران)، الأنظمة الدقيقة الشاملة (ص 53-73). إلسيفير.
6. Kono, N., N., Ohtoshi, R., Malay, A. D., Mori, M., Masunaga, H., Yoshida, Y., Nakamura, H., Numata, K., & Arakawa, K. (2021). يشترك عنكبوت لحاء داروين في ذخيرة عنكبوتية من الحرير مع عنكبوت اللحاء في Caerostris extrusa ولكنه يحقق صلابة حريرية غير عادية من خلال التعبير الجيني. علم الأحياء المفتوح، 11(12).
7. Li, Q., Yi, S., Li, Z., & Yu, Z. (2011). لونسداليت - مادة أقوى وأشد صلابة من الماس. Scripta Materialia، 65، 229-232.
8. Magagnosc, D. J. & Schuster, B. E. (2019). قوة الكسر لكربيد السيليكون المضغوط على الساخن على المستوى المجهري. علوم وهندسة المواد: A, 765, 138297.
9. Ünal, H., Sert Çok, S., Koç, F., Gizli, N., & Pekbey, Y. (2019). التحقيق في تأثير محتوى هلام السيليكا الهوائي على الخواص الميكانيكية لنظام راتنجات الإيبوكسي. بحث في الهياكل والمواد الهندسية.
10. Yu, M. F., Lourie, O., Dyer, M. J., M. J., Moloni, K., Kelly, T. F., & Ruoff, R. S. (2000). قوة وآلية تكسير الأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران تحت حمل الشد. Science, 287(5453), 637-640.