Предположим, что мы хотим сделать этакого Терминатора и нам нужно подобрать для него материал. Пусть мы не умеем работать со сплавами и композитными материалами, а используем только чистые элементы из таблицы Менделеева. Нам нужен элемент, который будет сочетать высокие показатели сразу всех механических свойств.
Те, кто регулярно читают мои статьи и смотрят видео уже знают, что нужное свойство - это всегда компромисс. Так уж получилось, что высокая прочность идёт рядышком с большой хрупкостью, а высокая плотность не может подразумевать низкую массу. Это напрямую связано со строением каждого из рассматриваемых атомов и их объединения в материале. Но по этой причине поиск наиболее универсального элемента становится ещё более интересным.
Возьмём, например, твёрдость. Это механическое свойство определяет способность материала сопротивляться внедрению в него индентора. Твёрдый материал претендует на роль элемента, который выдержит всё, потому, что может, например, ковырять другие материалы без повреждения. Ну а если проще - вы в жизни не сможете сверлить более твёрдый материал менее твёрдым и если вы когда-то делали глупость и пытались дырявить бетон сверлом по дереву или металлу, то уже знаете для чего вводится эта характеристика.
Напрашивается выбрать алмаз. Это идеальная трёхмерная решётка, где каждый атом связан с четырьмя соседями. Ковалентные связи там настолько прочные, что даже высокоэнергетические частицы в ускорителях с трудом их рвут. Твёрдость 10 по шкале Мооса. Модуль упругости около 1,2 терапаскаля.
Это говорит и об огромной прочности алмаза. Часто, но не всегда, твёрдость и прочность напрямую связаны. Для простого понимания прочность - это способность работать без разрушения. Например, доска в мостике обладает достаточной прочностью, чтобы вас выдерживать. А вот пенопласт не обладает. Представить себе как оно работает теперь проще.
Есть и более экзотические формы углерода, который является основой алмаза - лонсдейлит, например, встречается в метеоритах. Он теоретически твёрже алмаза на 50–60%. Так что же, мы с первого раза нашли волшебный грааль? Нет.
Алмаз не сжимается, не царапается и не деформируется, но при этом хрупок. Это удел всех слишком твёрдых и прочных материалов. От удара молотком он рассыпается, а при нагревании на воздухе просто сгорает при ~800 °C.
Так может тогда взять жаропрочный материал и дело пойдёт? Вдруг он будет обладать всё теми же характеристиками, что и углерод, но окажется устойчивым при высоких температурах и не будет склонен к хрупкому разрушению. Например, Вольфрам. Температура плавления вольфрама 3422 °C. Она рекордная среди всех чистых элементов. Даже при такой температуре он не теряет форму, не течёт, не деформируется.
При 5500 °C он наконец закипает и переходит в газ. Не случайно именно вольфрам использовался в нитях ламп накаливания где другие металлы плавились, он спокойно светился. Так может быть Терминатора будем делать из него? Нет. Оказывается, у него тоже есть слабость - он окисляется при температуре выше 600 °C, если есть кислород. Поэтому вольфрам живёт долго только в вакууме или инертной среде. Плюс показатели остальных свойств посредственные.
Может быть тогда поможет какой-то плотный элемент? Большая плотность должна подразумевать и хорошую теплостойкость. Ведь связей внутри больше. Вероятно, это позволяет и на хорошие механические свойства рассчитывать. Например, возьмем осмий. Тут он рекордсмен.
Если бы вы взяли в руку кусочек осмия, вас бы поразило, насколько он тяжёлый.
Плотность осмия 22,59 грамма на кубический сантиметр. Это больше, чем у любого другого стабильного элемента на Земле.
Осмий словно пытается стать чёрной дырой. Его атомы упакованы так тесно, что плотнее уже некуда. Но при всей своей тяжеловесности он тоже хрупкий. Сильный удар и он трескается, а при окислении выделяет токсичные соединения. В прочности и стойкости к деформациям он сильно уступает более лёгким, но гибким металлам. Так что, несмотря на массу, осмий - не тот, кто выдержит всё.
А кто же этот счастливчик?
Проблема тут в том, что эти свойства не сосуществуют в одном элементе. Тот, кто тяжёлый - слишком хрупок. Тот, кто прочен горит. Тот, кто жаростоек теряет стойкость на воздухе. И всё же есть кандидат, который наиболее сбалансирован. Это тантал (Ta).
Тантал - не рекордсмен ни по одному параметру, но он великолепен в балансе свойств.
- Температура плавления - 3017 °C (уступает вольфраму, но ненамного).
- Не окисляется на воздухе благодаря плотной оксидной плёнке.
- Устойчив к кислотам и коррозии - даже «царская водка» ему не страшна.
- Плотность - 16,7 г/см³, не рекорд, но внушительно.
- Прочность и пластичность - выдающиеся: тантал не ломается, а гнётся.
- Твёрдость соизмерима с аналогична другим рассматриваемым металлам.
Предполагаю, что следующий вопрос - а почему бы не делать из него велосипеды. Главная проблема, как обычно, одна. Это будет не очень целесообразно из-за огромной стоимости самого тантала. Технологии при этом тоже специфические и гораздо проще использовать привычные материалы.
Но надеюсь, что вы поняли, что в строгом смысле, элемента, выдерживающего сразу всё, не существует. Похоже так устроена природа и физика вместе с ней. Велосипед без амортизатора жёсткий и неудобен для грунта, зато отлично едет по асфальту и позволяет проехать больше. Джип на трассе неповоротливый, но зато довезет вас до дачи по самой плохой дороге. Всё и всегда подразумевает компромиссы. Также работает и материаловедение.
⚡ Ещё больше интересного в моём Telegram!
Хочется помочь проекту? Просто поставьте лайк 👍 и подписывайтесь на канал ✔️! Напишите комментарий и поделитесь статьёй с друзьями