Yüzyıllar boyunca elmas, bilinen en sert madde olarak kabul edildi. Ancak günümüzde, laboratuvar ortamında keşfedilen ya da sentezlenen bazı maddeler, elması geride bıraktı. Artık elmas bu listenin yedinci sırasında yer alıyor. Peki, en sert madde hangisi?
Karbon, doğadaki en ilginç elementlerden biridir. Kimyasal ve fiziksel özellikleri, diğer tüm elementlerden ayrılır. Çekirdeğinde sadece altı proton bulunmasına rağmen, karmaşık bağlar kurma yeteneği açısından son derece zengindir.
Yaşamın bilinen tüm biçimleri karbon temellidir. Çünkü karbon atomu aynı anda dört farklı atomla bağ kurar. Bu sayede, en basit moleküllerden (örneğin metan) trilyonlarca atom içeren karmaşık yapılara kadar her ölçekte bileşik oluşur.
Karbon atomunun bağ kurma biçimleri çok çeşitli biçimlerde olur. Özellikle yüksek basınç altında bu atomlar, kendiliğinden kararlı kristal kafes yapıları oluşturur. Bu özellik, karbonu sadece biyolojik yaşamın değil, aynı zamanda süper dayanıklı malzemelerin de temel yapı taşı haline getirir.
Uygun koşullar sağlandığında karbon atomları, son derece sert bir yapıya dönüşür: elmas. Uzun yıllar boyunca elmas, “dünyanın en sert maddesi” unvanını taşıdı. Bugün hâlâ çoğu insan için bu böyle. Ancak bilimsel ölçümlere göre elmas, en sert malzemeler listesinde yalnızca yedinci sırada yer alıyor.
Yine de elmasın çok önemli bir özelliği var: şimdiye dek bilinen en çizilmez madde olması. Sertlik ve çizilme direnci her zaman aynı şey değildir. Bazı maddeler Mohs sertlik ölçeğinde elmasla yarışsa da, hiçbiri onun kadar yüzeyine zarar gelmeden kalamaz. Titanyum, tungsten karbür ya da çok sert seramikler bile çizilmeye karşı bu seviyede direnç gösteremez. Yakut ve safir gibi kristaller ise doğal safsızlıklar nedeniyle elmas kadar saf ve dayanıklı değildir.
Elmastan Daha Sert Altı Malzeme
Ancak araştırmalar gösteriyor ki, doğada çok nadir bulunan ya da yapay yollarla elde edilen altı madde, doğrudan sertlik ölçümlerinde elması geride bırakmış durumda.
6 numarada: Wurtzite bor nitrür
Kristal yapılar denince akla genellikle karbon gelir, ancak kristal kafesler yalnızca karbonla sınırlı değildir. Bor (5) ve azot (7) elementlerinden oluşan bor nitrür (BN), farklı biçimlerde kristalleşebilen bir bileşiktir. Amorf (yani düzensiz), grafite benzeyen altıgen yapıda, elmasa benzeyen kübik yapıda ya da daha nadir olan wurtzite formunda bulunabilir.
Bu listede yer almasını sağlayan wurtzite bor nitrür, son derece nadir bir yapıdır. Doğada yalnızca volkanik patlamalar sırasında, çok küçük miktarlarda oluşur. O kadar az bulunur ki, doğrudan deneysel sertlik ölçümü yapılamamıştır. Ancak bilgisayar simülasyonlarına göre, sahip olduğu tetrahedral kristal yapısı, elmasın kübik yapısına göre %18 oranında daha serttir. Bu da onu, bilinen en sert altıncı madde yapar.
5 numarada: Lonsdaleit
Karbon açısından zengin bir meteorit, yani içinde bol miktarda grafit taşıyan bir gök cismi, Dünya atmosferine girdiğinde dış yüzeyi ısınır ama iç kısmı çoğunlukla soğuk kalır.
Yeryüzüne çarpma anında ise, meteorun içindeki grafit büyük bir basınca maruz kalır. Bu basınç, Dünya yüzeyinde doğal olarak oluşacak değerlerin çok üzerindedir. Bu olağanüstü koşullar altında grafit, bilinen elmaslardaki gibi kübik değil, altıgen kafes yapısına sahip kristallere dönüşür. Ortaya çıkan bu yapıya Lonsdaleit denir.
Bilgisayar simülasyonlarına göre, saf Lonsdaleit teorik olarak elmastan %58 daha serttir. Gerçekte bulunan örnekler safsızlık içerdiğinden bu değere ulaşamaz. Ancak eğer saf grafitten oluşan bir meteorit Dünya’ya çarparsa, ortaya çıkacak Lonsdaleit kristalleri, bugüne dek bulunan tüm doğal elmaslardan daha sert olurdu.
4 numarada: Dyneema
Artık doğal olarak oluşan en sert malzeme alemini geride bırakıyoruz. Yalnızca bir istisna dışında. Dyneema, termoplastik bir polietilen polimeridir ve olağanüstü yüksek moleküler ağırlığıyla dikkat çeker. Dyneema, milyonlarca atomik kütle birimine ulaşan çok uzun atom zincirlerinden oluşur. Bu uzun zincirler, malzemeye olağanüstü sağlamlık ve dayanıklılık kazandırır.
Polimer zincirlerinin olağanüstü uzun olması, moleküller arası etkileşimleri büyük ölçüde güçlendirir. Bu da Dyneema’yı son derece sağlam bir malzeme hâline getirir. Öyle ki, bilinen tüm termoplastikler arasında en yüksek darbe dayanımına sahiptir.
Yoğunluğu sudan daha düşük olduğu için yüzer. Buna rağmen kurşun geçirmezlik sağlar ve aynı miktardaki çelikten 15 kat daha güçlüdür. Esnek bir yapıya sahip olmasına rağmen son derece serttir; çizilmeye ve yıpranmaya karşı dirençlidir. Aşırı kuvvet uygulandığında bile kırılması son derece zordur.
3 numarada: Paladyum mikroalaşım cam
Bir malzemenin fiziksel özelliklerini değerlendirirken sadece “sertlik” değil, aynı zamanda mukavemet (deformasyona uğramadan dayanabileceği kuvvet miktarı) ve tokluk (kırılmadan önce absorbe edebileceği enerji miktarı) da önemlidir.
Çoğu seramik malzeme oldukça güçlüdür ama tok değildir. Öte yandan kauçuk gibi elastik malzemeler çok fazla enerji tutar ama kolayca şekil değiştirir, yani güçlü sayılmazlar. Cam ise genellikle kırılgandır: sert ve güçlüdür ama tok değildir.
Ancak 2011 yılında geliştirilen yeni bir mikroalaşım cam, bu dengeyi değiştirdi. Fosfor, silisyum, germanyum, gümüş ve özellikle paladyum içeren bu özel alaşım, sıradan camlardan farklı olarak çatlamadan önce plastik deformasyon gösterir.
Sonuç olarak bu paladyum mikroalaşım cam, hem çok serttir hem de hem güçlü hem de tok bir malzemedir. Her tür çeliği ve bu listedeki daha alt sıralarda yer alan tüm malzemeleri geride bırakır. Ayrıca, karbon içermeyen maddeler arasında bilinen en sert malzemedir.
Buckypaper
Karbon atomları altıgen bir düzende bağlandığında, silindirik bir yapı oluşturur. Bu yapı, bilinen en kararlı ve dayanıklı yapılardan biridir. Bu nanotüplerin bir araya getirilerek makroskopik bir tabaka oluşturulmasıyla buckypaper adı verilen son derece dayanıklı bir malzeme elde edilir.
Her bir karbon nanotüp yalnızca 2 ila 4 nanometre çapında olmasına rağmen, bu minik tüpler bir araya getirilerek büyük tabakalar oluşturulur. Çelikten %90 daha hafiftir ama yüzlerce kat daha güçlüdür. Yangına dayanıklıdır, mükemmel ısı iletkenliği vardır. Elektromanyetik dalgalara karşı güçlü bir kalkan görevi görür. Bu da onu malzeme bilimi, elektronik, savunma sanayi ve hatta biyoteknoloji gibi pek çok alanda potansiyel bir devrim aracı hâline getirir.
Bilinen En Sert Malzeme: Grafen
Sadece bir atom kalınlığında olan bu altıgen karbon örgüsü, şimdiye kadar bilinen en sert malzeme olma unvanını taşıyor. 21. yüzyılın belki de en devrimsel malzemesi olarak kabul edilen grafen, karbon nanotüplerin de temel yapısını oluşturur.
Kalınlığına oranla değerlendirildiğinde, grafen açık ara farkla en güçlü malzeme olarak öne çıkıyor. Aynı zamanda olağanüstü bir ısı ve elektrik iletkeni; üstelik neredeyse %100 oranında ışık geçirebiliyor. Bu olağanüstü özellikleri nedeniyle, 2010 Nobel Fizik Ödülü, grafen üzerine yaptıkları öncü deneyler dolayısıyla Andre Geim ve Konstantin Novoselov’a verildi. Üstelik bu ödül, deney ile ödül arasındaki sürenin yalnızca altı yıl olmasıyla fizik tarihinde ender görülen hızda gerçekleşti.
Malzemeleri daha sert, daha güçlü, çizilmeye karşı daha dayanıklı, daha hafif ve daha sağlam hâle getirme arayışı muhtemelen hiçbir zaman sona ermeyecek. 21. yüzyıl ilerledikçe, bu yeni nesil malzemelerle birlikte nelerin mümkün hâle geleceğini hep birlikte göreceğiz.
Kaynak ve İleri Okumalar için.
There Are 6 ‘Strongest Materials’ On Earth That Are Harder Than Diamonds. Kaynak site: Big Think. Yayınlanma tarihi: 1 Mayıs 2025. Bağlantı: The six strongest materials on Earth are harder than diamonds
Matematiksel
