عند التفكير في أصلب مادة في العالم اخترعها الإنسان، فإن معظم الناس يفكرون على الفور في الماس. وهي بلا شك واحدة من أكثر المواد صلابة على هذا الكوكب. ومع ذلك، هناك مواد تتفوق حتى على الماس من حيث المتانة والقوة.
سنخبرك في هذه المقالة ما هي أصعب المواد في العالم وما الذي يجعل المادة صلبة.
ما هي الصلابة
عندما نتحدث عن النقاء، يتم تحديد صلابة المادة من خلال تركيبها الذري والجزيئي. يمكن إنشاء هذه التركيبة من خلال عدد لا حصر له من التركيبات الممكنة، والتركيبة المحددة من العناصر لكل مادة هي ما يحدد في النهاية خصائصها الكيميائية والفيزيائية الفريدة.
نظرًا لتركيبه الذري، يعد الكربون مادة فريدة بشكل استثنائي. على الرغم من وجود ستة بروتونات فقط داخل نواته، فإن الكربون قادر على تكوين العديد من الروابط المعقدة بفضل تنوع هندسة الروابط الخاصة به. ومن الجدير بالذكر أيضًا قدرة الكربون على الاتحاد مع نفسه، خاصة عند الضغوط العالية، حيث يمكن إنشاء شبكة بلورية مستقرة. في ظل هذه الظروف المثالية، يمكن لذرات الكربون إنشاء بنية متينة بشكل ملحوظ تعرف باسم الماس.
منذ ظهور تكنولوجيا النانو، أصبح من المسلم به الآن أن هناك ما لا يقل عن ستة تصنيفات للمواد التي تتجاوز قوة الماس. علاوة على ذلك، من المحتمل جدًا أن يرتفع هذا المبلغ في المستقبل.
أصعب مادة في العالم
فورتزيت
تشتهر مادة Wurtzite بمتانتها الاستثنائية، والتي غالبًا ما تتم مقارنتها بقوة الصهارة المتصلبة للبركان. باستخدام ذرات أخرى غير الكربون، من الممكن توليد بلورة تحتوي على نيتريد البورون (BN) كأحد مكوناتها. وهذا يخلق العديد من الاحتمالات عندما يجتمع العنصران الخامس والسابع من الجدول الدوري. يمكن أن يوجد المزيج الناتج في أشكال مختلفة، بما في ذلك الشكل غير المتبلور (غير البلوري)، والسداسي (يشبه الجرافيت)، والمكعب (أكثر ليونة إلى حد ما من الألماس)، والورزيتيت.
من بين جميع الاختلافات المحتملة، فإن الشكل النهائي هو الأغرب والأكثر صعوبة في الإنتاج. ينشأ الورتزيت فقط أثناء الانفجارات البركانية، وقد تم العثور عليه بكميات محدودة، لذلك لم يتم اختبار خصائص صلابته الدقيقة على نطاق أوسع. ومع ذلك، يشكل الورزيت نوعًا مختلفًا من الشبكة البلورية، وهي رباعية السطوح وليست مكعبة مركزية الوجه. وتشير أحدث عمليات المحاكاة إلى أنه يتفوق على الألماس بنسبة 18% من حيث الصلابة.
لونسداليت
اللونسداليت هو معدن تعتبر صلابته موضوعًا مثيرًا للاهتمام، خاصة في مجال أبحاث النيازك. إذا تخيلنا سيناريو يدخل فيه نيزك يحتوي على الكربون، وتحديدًا الجرافيت، إلى الغلاف الجوي للأرض ويلامس كوكبنا، فمن المنطقي أن نفترض أن هذا الجسم سيكون ساخنًا للغاية عند الاصطدام. ومع ذلك، فالحقيقة هي أن الطبقات الخارجية للنيزك فقط هي التي ستتعرض للتدفئة، بينما تظل الطبقات الداخلية باردة خلال معظم رحلته إلى الأرض.
عند الاصطدام، تكون القوى الداخلية المبذولة لا مثيل لها من قبل أي ظاهرة طبيعية أخرى على سطح الأرض. يؤدي هذا الضغط الهائل إلى خضوع الجرافيت لعملية تحول، مما يؤدي إلى تكوين بنية بلورية عالية. وعلى عكس الماس، فإن هذا الهيكل ليس مكعبًا بل سداسيًا، مما ينتج صلابة تفوق الماس بنسبة 58٪.
داينيما
داينيما هي ألياف معروفة بأنها أقوى من الفولاذ. بالابتعاد عن المواد الطبيعية سننتقل إلى المواد الاصطناعية. عند الحديث عن Dyneema، من المهم أن نلاحظ أنه عبارة عن بوليمر بولي إيثيلين لدن بالحرارة يتميز بخاصية غير عادية: وزنه الجزيئي مرتفع جدًا. تتكون معظم الجزيئات من سلاسل من الذرات يبلغ إجمالي عددها بضعة آلاف من وحدات الكتلة الذرية (بروتونات و/أو نيوترونات).
ومع ذلك، يحتوي UHMWPE (البولي إيثيلين عالي الوزن الجزيئي) على سلاسل ذات كتلة جزيئية تبلغ ملايين وحدات الكتلة الذرية. تؤدي مثل هذه السلاسل الطويلة إلى تعزيز التفاعلات بين الجزيئات، مما يؤدي في النهاية إلى إنشاء مادة الداينيما (Dyneema)، وهي مادة قوية بشكل لا يصدق. في الواقع، فهو يتمتع بأعلى مقاومة للصدمات بين جميع اللدائن الحرارية المعترف بها. هذه المادة قوية جدًا لدرجة أنها تتفوق على جميع حبال الربط والسحب الأخرى المتوفرة في السوق. حتى أن لديه القدرة على إيقاف الرصاص على الرغم من كونه أخف من الماء. في الواقع، الدينما أقوى بخمسة عشر مرة من كمية مساوية من الفولاذ.
سبيكة معدنية غير متبلورة أو زجاج معدني
هناك خاصيتان أساسيتان لجميع المواد الفيزيائية هما القوة، أو مقدار القوة التي يمكنها تحملها، والصلابة، أو قدرتها على مقاومة الكسر. نحن نستخدم السيراميك كمثال: فهو قوي، ولكن ليس صلبًا جدًا؛ يمكنهم تحقيق التعادل مع تأثير بسيط. ومع ذلك، في عام 2011، اكتشفت مجموعة من العلماء والباحثين نوعًا جديدًا من سبائك الزجاج الدقيقة، يتكون من خمسة عناصر: الفوسفور، والسيليكون، والجرمانيوم، والفضة، والبلاديوم. هذه المادة المبتكرة أكثر متانة من الفولاذ.
ورق البوكي
منذ نهاية القرن العشرين، ثبت أن هناك نوعًا من الكربون أكثر مقاومة من الماس: أنابيب الكربون النانوية. وبترتيب ذرات الكربون في شكل سداسي يتم الحصول على هيكل أسطواني صلب أكثر ثباتا من أي هيكل آخر اكتشفه الإنسان. يتراوح قطر كل أنبوب نانوي بين 2 و4 نانومتر، لكن كل واحد منها قوي ومتين بشكل مثير للإعجاب. تزن الأنابيب النانوية الكربونية 10% فقط من الفولاذ، لكن قوتها أكبر بمئات المرات. كما أنها مقاومة للحريق، ولها موصلية حرارية ممتازة ولديها قدرات ملحوظة في الحماية الكهرومغناطيسية. هذه المادة لها تطبيقات مختلفة في مجالات مثل فيزياء المواد والإلكترونيات والتكنولوجيا العسكرية وعلم الأحياء.
كما ترون، هناك مواد تغلبت على الماس باعتباره أصلب مادة في العالم. آمل أن تتمكن من خلال هذه المعلومات من معرفة المزيد عن أصعب المواد في العالم وخصائصها.
