Самые необычные химических вещества, которые существуют на самом деле

Рутений

Другой самый крепкий металл в мире, наименование которого произошло от названия нашей страны. Впервые его обнаружили на Урале. Вернее там нашли платину, в составе которой русские ученые позднее выявили новый металл. Это было 200 лет назад.

Благодаря своей красоте рутений нередко применяется в ювелирном деле, но не в чистом виде, ведь он очень редок

Рутений относится к благородным металлам. Он обладает не только твердостью, но и красотой. По твердости он лишь немного уступает кварцу. Но при этом он весьма хрупкий, его легко раскрошить в порошок или разбить, уронив с высоты. Кроме того, это самый легкий и прочный металл, его плотность едва ли составляет тринадцать граммов на сантиметр в кубе.

При всем своем плохом сопротивлении ударам рутений прекрасно противостоит высоким температурам. Чтобы его расплавить, необходимо нагреть более чем до 2300 градусов. Если сделать это при помощи электрической дуги, вещество может перейти сразу в газообразное состояние, миновав стадию жидкости.

В составе сплавов его применение чрезвычайно широко, даже в космической механике, к примеру, сплавы металлов рутения и платины были избраны для изготовления топливных элементов для искусственных спутников Земли.

Аэрографен

Этот материал сложно сравнивать по показателям легкости с пенопластом. Гораздо проще взять за основу воздух. Графеновый аэрогель легче в 7 раз. Ученые заменили жидкую фазу на газообразную, при этом добились жаропрочности, твердости и очень низкой теплопроводности. Все эти свойства обусловили способность аэрографена впитывать огромное количество масла, а также восстанавливаться после сжатия.

Если задуматься о применении таких полезных качеств, то есть предположение, что в будущем с помощью него получиться ликвидировать разливы нефти. Действительно, очень важная разработка, которая успешно снизит последствия экологических катастроф.

Учёные нашли самый прочный материал во Вселенной?

Выясняется, что самый прочный материал во Вселенной это не сталь, не графен, и даже не вымышленный вибраниум. Это… Макароны?

Ядерные макароны! Так будет точнее. Ладно, шутки в сторону. Это не те макароны, которые едят. Это материал, плотность которого настолько высока, что он приблизительно в 10 миллиардов раз твёрже стали. Но учёные действительно назвали его в честь любимого многими мучного изделия.

Это вещество находится внутри нейтронных звёзд — космических объектов, образующихся после взрывов сверхновых. По сути это скромные остатки взорвавшейся звезды, её выгоревшее ядро — очень плотное, коллапсировавшее под собственным весом, около 20 километров в диаметре. Внутри этого объекта настолько тесно, что некоторые электроны и протоны спрессовываются в нейтроны. Отсюда, собственно, и название — нейтронная звезда. Одна чайная ложка вещества этого небесного тела будет весить около миллиарда тонн. Поэтому попытайтесь представить, что вы найдёте, если углубитесь в него, скажем, на один километр.


Прочный материал внутри нейтронных звёзд

Одно из недавних научных исследований было посвящено именно этому вопросу. Учёные провели компьютерные симуляции, которые показали, что под воздействием гигантского давления вещество звезды сплетается в уникальные сочетания, напоминающие те или иные макаронные изделия. Это и клёцки, похожие на небольшие шарики, и их противоположность — анти клёцки, которые тоже, в сущности, выглядят как комочки. Длинные струнообразные трубки напоминают спагетти. Естественно, есть и анти спагетти. Картину дополняют лазанья и вафли. Последние вроде как не относятся к макаронам, но мы ведь закроем на это глаза?


Длинные струнообразные трубки

В земных условиях проверить результаты этого компьютерного моделирования невозможно. Мы просто не в состоянии создать такое высокое давление, которое, в свою очередь, спрессовало бы тот или иной материал до такой невообразимой плотности. Ранее, в ходе другого исследования, было продемонстрировано, что и поверхность нейтронной звезды обладает крайне высокой прочностью, но ядерные макароны, находящиеся в глубине, всё же прочнее.

А Вы смотрели: Радиация тяжелых ионов – ещё один барьер на пути в дальний космос

Почему это важно? Потому что нейтронные звёзды вращаются. Взрыв сверхмассивной звезды, которая впоследствии становится нейтронной, придаёт всей системе вращение, а когда остатки светила коллапсируют, всё начинает вращаться ещё быстрее

Это означает, что объект излучает гравитационные волны — это нечто вроде ряби в пространстве-времени, которую мы научились обнаруживать здесь, на Земле. И в этом случае становятся важны ядерные макароны, о которых мы сегодня рассказываем. Нейтронные звёзды будут испускать гравитационные волны, только если на их поверхности есть некоторые неровности.

Эксперты соответствующего профиля называют бугры на этих небесных телах «горами», даже если они имеют высоту всего лишь в несколько сантиметров. Неровности на поверхности могут появляться вследствие неких уплотнений сверхплотного вещества, находящегося в глубине звезды. По описанию похоже на клёцки, не правда ли? Таким образом, если ядерные макароны существуют в том виде, который проявился перед учёными в результате компьютерной симуляции, то нейтронные звёзды испускают гравитационные волны постоянно, безостановочно.

Это тот случай, когда может произойти счастливая встреча непосредственных научных наблюдений и теоретического моделирования. Различные виды ядерных макарон, спрогнозированные компьютером, могут быть причиной гравитационного излучения нейтронных звёзд. Учёные считают, что «горы» на их поверхности должны быть довольно крупными (по меркам этого типа звёзд, естественно), чтобы генерировать гравитационные волны, которые мы сможем засечь. То, что учёные выяснили о природе ядерных макарон, указывает на возможность создания ими гор до нескольких десятков сантиметров в высоту, и этого достаточно, чтобы мы могли обнаружить нейтронные звёзды с помощью уже имеющегося в нашем распоряжении оборудования, например LIGO (лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория).


Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория

В свою очередь, непосредственные наблюдения за гравитационными волнами нейтронных звёзд могут экспериментально подтвердить существование ядерных макарон — которые, как мы совсем недавно узнали, являются самым прочным материалом во всей Вселенной.

Самый стойкий металл

Самым стойким металлом считается иридий — его невозможно растворить ни в одной кислоте. Из-за стойкости, этот металл используется в Международном бюро мер и весов — из него создан эталон килограмма. Этот цилиндр из иридия необходим для того, чтобы у всех стран было единое представление о том, сколько именно должен весить килограмм

Это важно, потому что любое отклонение может стать причиной неисправности в самолётах и кораблях и, впоследствии, серьезной катастрофы.

Также иридий используется при изготовлении денег. Например, в африканской стране Руанде была выпущена иридиевая монета номиналом 10 руандийских франков. Можно сказать, что это самая устойчивая к химическому воздействию монета. Повредить ее можно разве что кину в сосуд со фтором — сильнейшим окислителем. Но разрушительная реакция начнется только при нагревании до 450 градусов Цельсия.

Как и для чего используют титановые сплавы?

Металл получил своё название в честь титанов, персонажей древнегреческой мифологии, детей Геи.

Титановые сплавы – это сплавы, основным компонентом которых является титан (легкий прочный металл серебристого цвета). Титановые сплавы используются во многих отраслях промышленности, включая спортивные автомобили, коммерческие самолеты и ракеты. Титановые сплавы очень устойчивы к коррозии. Однако из-за дороговизны производства эти материалы используются только в высокотехнологичных отраслях промышленности. По распространенности на Земле титан находится на 10-м месте, содержится в земной коре — 0,57% по массе и в морской воде — 0,001 мг/л. В земной коре титан почти всегда присутствует только в кислородных соединениях. В свободном виде не встречается. В крупных коренных месторождениях титан встречается в России, США, Казахстане, Китае, Норвегии, Швеции и др.

Топаз / Topaz

Редкий силикат выступает одним из самых популярных и любимых цветных драгоценных камней в мире. Приобрёл большую популярность благодаря своим красивым расцветкам.

Природные цвета топаза включают редкие и ценные жёлтый, оранжевый, розовый, красный, фиолетовый и синий. Самый доступный и часто покупаемый это голубой топаз, получивший свой цвет в результате обработки. Одно из самых известных физических свойств топаза — его твёрдость. Он имеет твёрдость 8 по шкале твёрдости Мооса, что делает его самым твёрдым силикатным минералом.

Когда топаз вырастает в неограниченной полости, он образует ромбические кристаллы, часто с полосами, параллельными длинной оси кристалла. Топаз очень твёрдый, но одновременно и хрупкий. Он очень легко раскалывается на части.

8

Корунд / Corundum

Корунд содержится в магматических, метаморфических и осадочных породах. Это оксид алюминия с гексагональной кристаллической решёткой.

Корунд известен своей чрезвычайной твёрдостью и тем фактом, что иногда его можно найти в виде красивых прозрачных кристаллов самых разных цветов. Чрезвычайная твёрдость делает корунд отличным абразивом. Когда эта твёрдость проявляется в прекрасных кристаллах, получается идеальный материал для огранки драгоценных камней.

Натуральный и синтетический корунд используются в самых разных промышленных областях. Широко применяют для изготовления промышленных подшипников, устойчивых к царапинам окон для электроприборов, пластин для печатных плат.

4

Паутина паука Дарвина

Общая информация:

Официальный год открытия паука – 2010;

<li

>Ударная вязкость паутины – 350 МДж/м3.

Паутина паука Дарвина

Впервые паука, плетущего сети огромных размеров, обнаружили неподалеку от Африки, на островном государстве Мадагаскар. Официально этот вид пауков открыли в 2010 году. Ученых, прежде всего, заинтересовали паутины, сплетенные членистоногим. Диаметр кругов на несущей нити может доходить до двух метров. Показатели прочности паутины Дарвина превышают показатели прочности синтетического кевлара, используемого в авиационной и автомобильной промышленности.

Самый радиоактивный металл

Единственным металлом, который может использоваться в качестве топлива в ядерных реакторах, является уран. Многие люди считают его очень опасным из-за высокой радиоактивности. Однако природный уран безопасен для здоровья человека, а опасность представляет его разновидность под названием U-235 — именно она используется в ядерных реакторах.


Когда-то давно из природного урана даже изготавливали посуду. Например, осколки желтого стекла с содержанием урана были найдены на территории итальянского города Неаполь — по расчетам ученых, стекло было изготовлено в 79 году нашей эры. Он был безопасен для людей и никаких намеков на радиацию вроде свечения не наблюдалось.

Природного урана U-235, пригодного для использования в ядерных реакторах, сегодня в природе очень мало — на протяжении долгих лет он просто улетучился. Зато миллиарды лет назад его было очень много, и ядерные реакции могли запускаться прямо на природе, без участия человека. Так, на территории африканской страны Габон, около 1,8 миллиарда лет назад происходила естественная реакция деления ядер урана. Уран горел на протяжении сотен лет, но в итоге реакция прекратилась из-за истощения запасов металла.

Алюминий

!! Этот металл обладает особыми качествами, которые делают его незаменимым в производстве и жизни современного общества. Это один из наиболее широко используемых цветных металлов в мире.

Около 8% земной коры состоит из алюминия, а его концентрация в Солнечной системе составляет 3,15 части на миллион. Из-за своей низкой плотности и устойчивости к коррозии, алюминий является ключевым элементом в аэрокосмической и инфраструктурной промышленности.

Примечательно, что чистый алюминий имеет предел текучести около 15–120 МПа, его сплавы намного прочнее и имеют предел текучести от 200 до 600 МПа.

Из королей в рабочие

Долгое время алмазы были прерогативой исключительно ювелирных мастеров. Однако с развитием промышленности этот самый твердый минерал все чаще стал рассматриваться не только с привычной эстетической стороны, но и с точки зрения его уникальных физических свойств. Сначала при производстве инструментов использовали природные алмазы, не подлежащие огранке. Это камни, которые имели такие дефекты, которые невозможно было устранить ювелиру. Их стали называть техническими алмазами.

Шло время, и потребность в инструментах с алмазными режущими и сверлящими кромками возрастала. К примеру, в сфере строительства весьма востребованы алмазные сверла. Их преимущество перед собратьями, выполненными из сплавов твердых металлов, — в том, что при работе алмазным сверлом в материале не образуются микротрещины. Алмаз легко и чисто срезает любой материал, будь то камень, бетон или металл. А отсутствие микротрещин – залог долговечности строения. К тому же сам процесс работы проходит значительно быстрее, заметно легче и намного тише.

Исходя из этого, неудивительно, что, по данным за 2021 год, только в одной России выпускается 1200 видов различного инструмента и оборудования, основной рабочей частью которых является алмаз.

Сталь и ее сплавы

Сталь — это прочный сплав железа и углерода, с добавками других элементов, таких как кремний, марганец, ванадий, ниобий и пр. Благодаря различным системам легирования стали можно получать совершенно разный комплекс свойств новых сплавов.

Так, высокоуглеродистая сталь — это сплав железа с высоким содержанием углерода — получается прочной, относительно дешевой, долговечной, она хорошо поддается обработке. Из недостатков стоит отметить низкую прокаливаемость и низкую теплостойкость, что делает углеродистую сталь уязвимой в агрессивной среде.

Сферы применения: из углеродистой стали изготавливают различные инструменты, детали машин и сложных механизмов, элементы металлоконструкций. Важным условием применения таких изделий является неагрессивная среда.

Сплав стали, железа и никеля – один из наиболее прочных сплавов. Существует несколько его разновидностей, но в целом легирование углеродистой стали никелем увеличивает предел текучести до 1420 МПа и при этом показатель предела прочности на разрыв доходит до 1460 МПа.

Сферы применения: сплавы на никелевой основе используют в конструкциях некоторых типов мощных атомных реакторов в качестве защитных высокотемпературных оболочек для предохранения от коррозии урановых стержней.

Нержавеющая сталь – коррозионностойкий сплав стали, хрома и марганца с пределом текучести до 1560 МПа и пределом прочности на разрыв до 1600 МПа. Как и все виды стали, этот сплав обладает высокой ударопрочностью и имеет средний балл по шкале Мооса.

Сферы применения: благодаря своим антикоррозийным свойствам нержавеющую сталь широко применяют в самых разных областях – нефтехимической промышленности, машиностроении, строительстве, электроэнергетике, кораблестроении, пищевой промышленности и для изготовления бытовых приборов.

Платина

Этот элемент был известен с незапамятных времен, однако в Европе, в чистом виде, он был получен в начале 19 века. Платина — это благородный металл, стоимость которого раньше в 2,2 раза превышает стоимость золота. Это было связано с очень малым количеством платины в мире. На один килограмм желтого металла приходится около 30 грамм платины. На данный момент времени стоимость золота заметно больше. Это связано с химическими и физическими свойствами металла.

Платина — необычайной красоты бело-серебристый металл, который так же, как и золото занимает ведущее место среди металлов

Самой важной чертой данного металла является его прочность. Поэтому ювелирные изделия из платины не изнашиваются

В России существуют следующие пробы платины — 950,900, 850. Ювелирное изделие из платины содержит около 95% чистой платины, а изделие из золота — 750 пробы, 75% золота.

Благодаря высокому содержанию, этот металл практически невозможно поцарапать. Именно поэтому он так широко используется в промышленности. А вот с золотом совсем другая история. Еще одной причиной выступает тот факт, что все золотовалютные фонды стран состоят из золота. Это практика складывалась веками и теперь просто бессмысленно тратить десятилетия на реформирования хорошо работающей системы.

Удивительным считается тот факт, что платину, в определенный промежуток времени, считали отходами при добыче золота, которые сразу же выбрасывались.

Оценив плотность вышеуказанных металлов, захотелось узнать, что все-таки будет тяжелее, золото, которое останется непревзойденным лидером, или же платина. Плотность платины составляет 21,45 грамм на сантиметр кубический. Из этого можно сделать вывод о том, что платина тяжелее желтого металла. Поэтому ювелирное изделие из платины весит больше, чем из золота.

Осмий

Общая информация:

  • Год открытия – 1803;
  • Структура решетки – гексагональная;
  • Теплопроводность – (300 К) (87,6) Вт/(м×К);
  • Температура плавления – 3306 К.

Кристаллы осмия

Блестящий металл голубовато-белого цвета, обладающий высокой прочностью, принадлежит к платиноидам. Осмий, обладая высокой атомной плотностью, исключительной тугоплавкостью, хрупкостью, высокой прочностью, твердостью и стойкостью к механическим воздействиям и агрессивному влиянию окружающей среды, широко применяется в хирургии, измерительной технике, химической отрасли, электронной микроскопии, ракетной технике и электронной аппаратуре.

Самые твердые материалы на Земле

Самый прочный материал в мире, который тверже алмаза, – полимеризованный фуллерит. Этим материалом можно запросто поцарапать алмаз, с такой легкостью, будто это не драгоценный алмаз, а обычный пластик.

Данный материал представляет собой структурированный кристалл, узлы которого состоят из целых молекул, а не из маленьких атомов.

Лонсдейлит также считается крепким материалом. Это модификация аллотропного углерода, который по твердости близок к алмазу. Данный материал был извлечен из метеоритного кратера. Происхождение материала – графитное.

Третью позицию в рейтинге твердости прочно занимает вюртцитный нитрит бора. Высокую степень прочности данному материалу обеспечивает кристаллическая структура.

Наноструктурированный кубонит, или кингсонгит. Уникальные возможности данного материала обеспечили его частое использование в промышленности.

Нитрит углерода-бора занимает почетную пятую позицию в нашем рейтинге. Главными компонентами данного материала являются атомы бора, а также углерода с азотом.

Субоксид бора (B6O) — твердость до 45 ГПа

Субоксид бора обладает способностями создавать зерна, имеющие форму икосаэдров. Образованные зерна при этом не являются обособленными кристаллами или разновидностями квазикристаллов, представляя собой своеобразные кристаллы-двойники, состоящие из двух десятков спаренных кристаллов-тетраэдров.

Содержание недостаточного количества атомов кислорода в субоксиде бора обеспечивает материалу характеристики, свойственные керамическим материалам. Данное вещество имеет качества химической инертности, повышенной прочности, устойчивости к истиранию при невысоких показателях плотности, а его монокристаллы обладают твердостью в 45 ГПа.

Лонсдейлит и карбин

Лонсдейлит путают с карбином. Это тоже модификация алмаза, полученная искусственным путём. Её синтезировали советские учёные также на заре 1960-х.

Но карбин и лонсдейлит не одно и то же. Отличий достаточно:

  • Строение. Структура карбина линейная, цепочка из атомов. У лонсдейлита – объёмная.
  • Физическая форма. Карбин представляет собой мельчайший порошок. Морфология кристаллов лонсдейлита – твёрдый прозрачный агломерат.
  • Применение. Карбин – это полупроводник, который используется в фотоэлементах. То есть, в отличие от лонсдейлита, имеет практическое применение.

По вопросу «самостоятельности» карбина у научного сообщества единства нет.

Карбин

Общая информация:

  • Дата открытия – начало 60-х годов;
  • Первооткрыватели – Сладков, Кудрявцев, Коршак, Касаткин;
  • Плотность – 1,9-2 г/см3.

В недавнем времени научные сотрудники из Австрии завершили работу по налаживанию устойчивого изготовления карбина, являющегося аллотропной формой углерода на основе sp-гибридизации углеродных атомов. Показатели его прочности в 40 раз превзошли показатели алмаза. Информация об этом была размещена в одном из номеров научного печатного периодического издания “Nature Materials”.

Строение карбина

После тщательного изучения его свойств, ученые пояснили, что по прочности он не сравнится ни с одним ранее открытым и изученным материалом. Тем не менее в процессе производства возникли значительные трудности: структура карбина образована из атомов углерода, собранных в длинные цепочки, в результате чего он начинает разрушаться в процессе изготовления.

Для устранения выявленной загвоздки, физики из общественного университета в Вене создали специальное защитное покрытие, в котором и синтезировался карбин. В качестве защитного покрытия использовались слои графена, положенные друг на друга и свернутые в «термос». Пока физики прилагали все усилия для достижения стабильных форм, они выяснили, на электрические свойства материала влияет протяженность атомной цепочки.

Извлекать карбин из защитного покрытия без повреждений исследователи так и не научились, поэтому изучение нового материала продолжается, руководствуются ученые только лишь относительной устойчивостью атомных цепочек.

Карбин

Карбин – малоизученная аллотропная модификация углерода, первооткрывателями которой стали советские ученые-химики: А.М.Сладков, Ю.П.Кудрявцев, В.В.Коршак и В.И.Касаточкин. Информация о результате проведения опыта с подробным описанием открытия материала в 1967 году появилась на страницах одного из крупнейших научных журналов – «Доклады академии наук СССР». Спустя 15 лет в американском научном журнале «Science» появилась статья, поставившая под сомнение результаты, которые получили советские химики. Выяснилось, что присвоенные малоизученной аллотропной модификации углерода сигналы могли быть связаны с присутствием примесей силикатов. С годами подобные сигналы обнаружили в межзвездном пространстве.

Азот

На 4 месте азот – двухатомный бесцветный и безвкусный газ. Существует не только на нашей, но и на нескольких других планетах. Из него состоит почти 80% земной атмосферы. Даже человеческое тело содержит до 3% данного элемента.

Помимо газообразного, существует жидкий азот. Он широко используется в строительстве, промышленности, лечебном деле. Его применяют при охлаждении техники, заморозке органики, избавления от бородавок. В жидком виде азот не взрывоопасен и не токсичен.

Элемент блокирует окисление и гниение. Широко применяется в шахтах для формирование взрывобезопасной среды. В химическом производстве с его помощью создают аммиак, удобрения, красители, в кулинарии используют как хладагент.

Твердость

В соответствии с традиционной интерпретацией результатов изучения образцов скудных , собранные из метеоритов или произведенных в лаборатории, лонсдейлит имеет гексагональную элементарную ячейку , связанную с алмазом элементарной ячейки таким же образом , что гексагональные и кубические плотноупакованной кристаллические системы связаны . Его алмазную структуру можно рассматривать как состоящую из взаимосвязанных колец из шести атомов углерода в конформации кресло . Вместо этого в лонсдейлите некоторые кольца находятся в конформации «лодочка» . В наномасштабе кубический алмаз представлен алмазоидами, а гексагональный алмаз представлен вюртцоидами .

В алмазе все связи углерод-углерод, как в слое колец, так и между ними, находятся в шахматной конформации , что делает все четыре кубически-диагональных направления эквивалентными; тогда как в лонсдейлите связи между слоями находятся в закрытой конформации , которая определяет ось гексагональной симметрии.

Минералогическое моделирование предсказывает, что лонсдейлит на 58% тверже алмаза на грани <100> и выдерживает давление вдавливания в 152  ГПа , тогда как алмаз разрушается при 97 ГПа. Это все же превосходит твердость наконечника алмаза IIa <111>, составляющая 162 ГПа.

Экстраполированные свойства лонсдейлита были подвергнуты сомнению, особенно его превосходная твердость, поскольку образцы при кристаллографическом контроле показали не объемную структуру гексагональной решетки, а вместо этого обычный кубический алмаз с преобладанием структурных дефектов, включающих гексагональные последовательности. Количественный анализ данных дифракции рентгеновских лучей лонсдейлита показал, что присутствуют примерно равные количества гексагональных и кубических последовательностей упаковки. Следовательно, было высказано предположение, что «наложение неупорядоченного алмаза» является наиболее точным структурным описанием лонсдейлита. С другой стороны, недавние эксперименты с ударными на месте дифракции рентгеновских лучей показывают убедительные доказательства для создания относительно чистого лонсдейлита в динамических условиях высокого давления , сравнимых с метеоритами.