Dünyadaki En Sert Malzeme Elmas Değildir! İşte Onu Geçenler…

Bilimi seven herhangi bir kişiye dünyadaki en sert malzemeyi sorduğunuzda muhtemelen alacağınız cevap elmas olacaktır. Elmas son derece sert ve dayanıklı bir maddedir ancak bilim insanları tarafından yapılan son keşifler ve çalışmalar sonucunda en sert malzeme listesinde elmas 7. sıraya düşmüştür.

Elmasın gücü yapısında saklıdır. Bünyesinde barındırdığı karbon, diğer elementlerden farklı olarak kimyasal ve fiziksel özellikleri ile tüm doğadaki en büyüleyici elementlerden biridir. Çekirdeğinde sadece altı protonla, bir dizi karmaşık bağ oluşturabilen en hafif elementtir. Bilinen tüm yaşam formları karbon bazlıdır. Bu bağların olası geometrileri, karbonun, özellikle yüksek basınç altında, kararlı bir kristal kafes halinde bir araya gelmesini de sağlar. Koşullar doğruysa, karbon atomları elmas olarak bilinen katı, ultra sert bir yapı oluşturabilir.

Elmas Nedir?

Değerli bir taş olarak tanıdığımız elmas aslında, tetrahedral bir kafes yapısında birbirleriyle elektronları paylaşan beş karbon atomundan oluşan bir karbon allotropudur. Bu karbon atomları arasındaki kovalent bağ son derece güçlüdür ve oda sıcaklığında kırılması çok zordur. Bu güçlü kovalent bağ nedeniyle, elmasların serbest elektronları yoktur. Bu da onları zayıf bir elektrik, ancak mükemmel bir ısı iletkeni yapar. Aslında, bir elmas termal iletimde bakırdan yaklaşık beş kat daha iyidir. 

Ancak elmas çok yüksek sıcaklıklarda savunmasız hale gelir. Bir elması 800 o C’nin üzerinde ısıttığınızda , kimyasal ve fiziksel özellikleri artık aynı kalmaz. Bu nedenle, araştırmacılar uzun zamandır daha iyi kimyasal kararlılığa sahip süper sert malzemeler arıyorlar. Elmaslar hala Dünya’da doğal olarak bulunan en sert malzemelerden biri. Ancak birazdan okuyacağınız altı malzemenin hepsi onu yendi.

Elmastan daha Sert Altı Malzeme

Bor nitrür (w-BN)

Bor nitrür, elmasa benzer bir yapıya sahiptir, ancak bor ve nitrojen atomlarından oluşur. Son derece nadirdir ve yalnızca belirli bir tür volkanik patlamanın ardından bulunabilir. Araştırmacılar tarafından 2009 yılında yapılan bir simülasyon çalışmasında, çelikten %18 daha sert olduğu anlaşılmıştır. Ayrıca, yüksek sıcaklıklarda elmastan kimyasal olarak daha kararlıdır.

Lonsdaleit

Karbonla dolu ve dolayısıyla grafit içeren bir meteor olduğunu ve bu meteorun atmosferimizi geçerek Dünyamıza çarptığını düşünün. Bu meteorun yolculuğu esnasında dış kısmı ısınmasına rağmen iç kısmı serin kalacaktır. Bununla birlikte, Dünya’nın yüzeyine çarpma sonucunda grafit sıkışarak kristal bir yapıya dönüşür. Elmasın kübik kafesine sahip değildir. Ancak elmasların elde ettiğinden %58 daha fazla sertlik elde edebilen altıgen bir kafese sahiptir.

Dyneema

Artık doğal olarak oluşan maddeler alemini geride bırakıyoruz. Bir termoplastik polietilen polimeri olan Dyneema, yüksek moleküler ağırlığa sahip olması nedeniyle olağandışıdır. Molekül yapısındaki uzun zincirler arasında yaşanan etkileşim bu maddeyi çelikten 15 kat daha güçlü hale getirir. Bu nedenle bilinen herhangi bir termoplastik arasında en yüksek darbe dayanımına sahip. Dünyanın en güçlü lifi olarak anılır. Bu nedenle tüm bağlama ve çekme halatlarında kullanılır. Dyneema, sudan daha hafif olmasına rağmen mermiyi bile durdurabilecek kadar güçlüdür. 

Paladyum mikro alaşımlı cam

Tüm fiziksel malzemelerin sahip olduğu iki önemli özelliği vardır. Bunlardan ilki deforme olmadan önce ne kadar kuvvete dayanabilecekleri ile ilgilidir. Bu özelliğe direnç ya da mukavemet denir. Tokluk olarak bilinen ikincisi de onu kırmak için ne kadar enerji gerektiği ile alakalıdır. Çoğu camsı malzemenin kolay kırılgan yapısı tokluk düzeylerinin düşük olması ile alakalıdır. Ancak 2011’de araştırmacılar, beş element (fosfor, silikon, germanyum, gümüş ve paladyum) içeren yeni bir mikro alaşımlı cam geliştirdiler. Sonunda ortaya paladyum mikro alaşımlı cam çıktı. Hem tokluk hem de direnç açısından bu malzeme listede kendisinden öncekilerin hepsini yener.

Buckypaper

20. yüzyılın sonlarından beri elmastan daha sert bir karbon formu olduğunu biliyoruz. Bunlar karbon nanotüplerdir. Bir yığın karbon nanotüp alır ve bunlardan makroskopik bir tabaka oluşturursanız Buckypaper elde edersiniz. Her birinin genişliği 2 ile 4 nanometre arasında değişen bu karbon nanotüplerden oluşan buckypaper, çeliğin ancak %10’u kadar ağır olmasına rağmen çelikten yüzlere kat daha sağlamdır. Buckypaper ateşe dayanıklıdır, termal iletkenliğe sahiptir, elektromanyetik koruma sağlar. Ama buckypaper %100 nanotüplerden yapılamaz. Bu da onun en sert malzeme listesinin başında yer almasını engeller.

Grafen

malzeme bilimi
Altıgen Dizilimdeki Karbonlardan Oluşan Tek Katman

Grafen tartışmasız 21. yüzyılın devrimci malzemesidir. Yalnızca tek bir atom kalınlığında olan grafen, boyutuna göre bugüne kadar görülmüş en sert ve dayanıklı malzemedir. Hem ısıyı hem de elektriği olağanüstü bir şekilde iletir ve neredeyse %100 ışık geçirgendir. 2010 Nobel Fizik Ödülü, grafen ile ilgili çığır açan deneyleri için Andre Geim ve Konstantin Novoselov’a verildi. Grafen üretim aşamasındaki zorluklardan dolayı hâlâ yaygın bir malzeme sayılmaz. Ancak günümüzde yüzlerce şirket bu amaç için çalışmaktadır.

Malzemeleri daha sert, daha güçlü, çizilmeye karşı daha dayanıklı, daha hafif, daha sağlam vb. yapma arayışı muhtemelen hiç bitmeyecek. Elmasların artık bilinen en sert malzeme olmadığı bir medeniyette yaşamak harika bir şey. 21. yüzyıl ilerledikçe, hepimiz bu yeni malzemelerle aniden nelerin mümkün olduğunu göreceğiz.



Kaynak ve İleri Okumalar için: There Are 6 ‘Strongest Materials’ On Earth That Are Harder Than Diamonds; https://www.forbes.com/

Matematiksel

Sibel Çağlar

Merhabalar. Matematik öğretmeni olarak başladığım hayatıma 2016 yılında kurduğum matematiksel.org web sitesinde içerikler üreterek devam ediyorum. Matematiğin aydınlık yüzünü paylaşıyorum. Amacım matematiğin hayattan kopuk olmadığını kanıtlamaktı. Devamında ekip arkadaşlarımın da dahil olması ile kocaman bir aile olduk. Amacımıza da kısmen ulaştık. Yolumuz daha uzun ama kesinlikle çok keyifli.
Başa dön tuşu