ท่อนาโนคาร์บอนหรือเพชรอันไหนแข็งกว่ากัน? อันไหนแข็งแกร่งกว่า?

ท่อนาโนคาร์บอนและเพชรมีความแข็งพอๆ กัน แต่คำจำกัดความของคำว่า "แข็ง" นั้นแตกต่างกัน ในแง่ของความแข็งจากการขีดข่วน (ความแข็ง Mohs) เพชรมีค่าอยู่ที่ 10 ซึ่งสูงที่สุดในบรรดาแร่ธาตุธรรมชาติ ท่อนาโนคาร์บอนไม่มีค่าความแข็ง Mohs มาตรฐาน แต่ความสามารถในการขีดข่วนนั้นเทียบได้กับค่าความแข็งของเพชร ในแง่ของความแข็งของวิคเกอร์ส (ความต้านทานต่อการเยื้อง) เพชรมีค่า 7140-15300 HV ในขณะที่ท่อนาโนคาร์บอนมีค่าประมาณ 1,000-2,000 HV อย่างไรก็ตาม การวิจัยได้สังเคราะห์ท่อนาโนคาร์บอนที่มีพันธะโควาเลนต์สามมิติที่มีความแข็งวิคเกอร์อยู่ที่ 82.8 GPa ในด้านความเหนียว ท่อนาโนคาร์บอนมีความแข็งแรงกว่าเหล็กถึง 100 เท่า และสามารถยืดได้ เพชรถึงแม้จะแข็ง แต่ก็เปราะมากและอาจแตกหักได้โดยใช้ค้อนบทสรุป:ในความแข็งของรอยขีดข่วน เพชร µท่อนาโนคาร์บอน; ในด้านความทนทานต่อแรงกระแทก ท่อนาโนคาร์บอนมีมากกว่าเพชรโดยสิ้นเชิง

1. ขั้นแรก ทำความเข้าใจ "ความแข็ง": มันหมายถึงสิ่งที่แตกต่างกัน

บทสรุป:ในชีวิตประจำวัน คำว่า "แข็ง" จริงๆ แล้วมีสองความหมาย - ความแข็งของรอยขีดข่วน (ความต้านทานต่อการสึกหรอ) และความต้านทานต่อแรงกระแทก ไดมอนด์ชนะครั้งแรกเท่านั้น แต่แพ้ครั้งที่สอง

ก่อนที่จะเปรียบเทียบท่อนาโนคาร์บอนกับเพชร จำเป็นต้องชี้แจงก่อนว่า จริงๆ แล้ว "ความแข็ง" หมายถึงอะไร

หลายคนเข้าใจผิดว่าความแข็งสูงหมายถึง "ค้อนทุบไม่ได้" นี่เป็นความเข้าใจผิด

ในทางวิชาชีพ ความแข็งแบ่งออกเป็น 2 ประเภทใหญ่ๆ คือ

เพชร:ความแข็ง Mohs 10 สูงที่สุดในบรรดาแร่ธาตุธรรมชาติ อย่างไรก็ตาม มี "ความแตกแยกแปดด้าน" - เมื่อออกแรงไปในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง แม้เพียงเล็กน้อยก็สามารถทำให้มันแตกออกได้ การทุบเพชรด้วยค้อนจะทำให้เพชรแตกเป็นผง ไม่ใช่เพราะความแข็งไม่เพียงพอ แต่เป็นเพราะความเปราะบางสูง

ท่อนาโนคาร์บอน:ประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนที่เชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนต์ C=C ซึ่งเป็นหนึ่งในพันธะเคมีที่เสถียรที่สุดในธรรมชาติ ความแข็ง Mohs ของพวกมันไม่มีค่ามาตรฐาน แต่ความสามารถในการขีดข่วนนั้น "เทียบเคียง" กับความแข็งของเพชรได้ ประเด็นสำคัญก็คือท่อนาโนคาร์บอนยัง "มีความยืดหยุ่นที่ดีและสามารถยืดออกได้"

หากต้องการใช้การเปรียบเทียบ:เพชรก็เหมือนกับกระจก - พื้นผิวมีความแข็งมากและทนทานต่อการสึกหรอ- แต่จะแตกเมื่อตกลงบนพื้น ท่อนาโนคาร์บอนเป็นเหมือนลวดเหล็ก - ซึ่งสามารถขูดกระจกได้เช่นกัน แต่ก็สามารถโค้งงอ ยืดออก และไม่แตกหักได้

2. ปล่อยให้ข้อมูลพูด: ท่อนาโนคาร์บอน กับ เพชร - อันไหนแรงกว่ากัน?

บทสรุป:ในแง่ของความต้านทานแรงดึงและความแข็งแรงจำเพาะ (ความแข็งแรง ÷ ความหนาแน่น) ท่อนาโนคาร์บอนถือเป็น "ซุปเปอร์ไฟเบอร์" ที่เพชรไม่สามารถเทียบได้ ในแง่ของความแข็งของวิคเกอร์ส ท่อนาโนคาร์บอนตามธรรมชาตินั้นไม่ได้แข็งเท่ากับเพชร แต่ท่อนาโนคาร์บอนธรรมชาตินั้นไม่ได้แข็งเท่าเพชร แต่ท่อนาโนที่สังเคราะห์ขึ้นมานั้นได้เข้าใกล้หรือแซงหน้าไปแล้วด้วยซ้ำ

ลองดูการเปรียบเทียบข้อมูลโดยตรง:

จุดข้อมูลเหล่านี้หลายจุดควรค่าแก่การตรวจสอบอย่างใกล้ชิด:

1. ความต้านแรงดึง: ท่อนาโนคาร์บอนชนะอย่างสมบูรณ์
ความต้านทานแรงดึงของท่อนาโนคาร์บอนคือ 50-200 GPa แม้ว่าเพชรจะแข็ง แต่ก็ไม่สามารถ "ต้านทานแรงดึง" ได้ วิธีเปรียบเทียบ: เพชรก็เหมือนกับอิฐแก้ว ไม่สามารถบดขยี้ได้ แต่จะแตกง่ายเมื่อถูกดึง

2. โมดูลัสยืดหยุ่น: ท่อนาโนคาร์บอนดีขึ้นเล็กน้อย
โมดูลัสยืดหยุ่นวัด "ความสามารถในการต้านทานการเสียรูป" เพชรมีค่าประมาณ 1.0-1.2 TPa ค่าทางทฤษฎีของท่อนาโนคาร์บอนสามารถสูงถึง 5 TPa โดยค่าที่วัดได้โดยทั่วไปจะอยู่ในช่วง 1-1.8 TPa ในแง่ของ "ความแข็ง" พวกมันมีความใกล้เคียงกันโดยประมาณ โดยที่ท่อนาโนคาร์บอนจะมีขอบเล็กน้อยก็ตาม

3. ความแข็งแกร่งเฉพาะ: ท่อนาโนคาร์บอนครองทุกสิ่ง
ความแข็งแรงเฉพาะ=ความแข็งแรง เสี่ยว ความหนาแน่น วัด "แรงดึงที่หน่วยน้ำหนักสามารถทนได้" ความแข็งแรงจำเพาะของท่อนาโนคาร์บอนเป็น 100 เท่าของเหล็ก สูงถึง 25-100 GPa·cm³/g ซึ่งหมายความว่า หากคุณสร้างเชือกจากท่อนาโนคาร์บอน มันจะแข็งแรงกว่าเชือกเหล็กที่มีน้ำหนักเท่ากันถึง 100 เท่า นี่คือสาเหตุที่นวนิยายวิทยาศาสตร์เรื่อง "ปัญหาสามตัว" ใช้ "ใบพัดนาโน" เพื่อตัดผ่านเรือขนาดยักษ์ และเหตุใดนักวิทยาศาสตร์จึงจินตนาการถึงการใช้ท่อนาโนคาร์บอนเพื่อสร้าง "ลิฟต์อวกาศ"

4. ท่อนาโนคาร์บอนแข็งพิเศษ-: ความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ครั้งใหม่
การศึกษาในปี 2022 ได้ออกแบบ-ท่อนาโนคาร์บอนที่มีพันธะโควาเลนต์สามมิติผ่านการคำนวณทางทฤษฎี ความแข็งของวิคเกอร์สูงถึง 82.8 GPa เทียบได้กับลูกบาศก์โบรอนไนไตรด์ การศึกษาอีกชิ้นในปีเดียวกันคาดการณ์ว่าโพลีเมอร์ท่อนาโนคาร์บอนแข็งพิเศษ-ที่สามารถแพร่กระจายได้สองชนิดที่มีความแข็งของวิคเกอร์อยู่ที่ 40.4 GPa และ 37.1 GPa ตามลำดับ

ข้อมูลเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าท่อนาโนคาร์บอนไม่เพียงแต่สามารถเอาชนะเพชรในแง่ของความเหนียวเท่านั้น แต่นักวิทยาศาสตร์ยังช่วยให้ท่อนาโนคาร์บอนสามารถเอาชนะเพชรได้ในแง่ของ "ความแข็ง"

3. "ใบมีดนาโนบิน" มีจริงหรือไม่? ท่อนาโนคาร์บอนมีความแข็งแรงแค่ไหน?

บทสรุป:"ใบมีดนาโนบิน" จาก "The Three-Body Problem" ที่ตัดผ่านเรือขนาดยักษ์นั้นมีพื้นฐานมาจากท่อนาโนคาร์บอน ในความเป็นจริง ความแข็งแกร่งทางทฤษฎีของท่อนาโนคาร์บอนนั้นเพียงพอที่จะ "ตัดผ่านโลหะเช่นโคลน" ได้

ในนิยายวิทยาศาสตร์เรื่อง "The Three-Body Problem" "ใบมีดนาโน" ที่มีความหนาเพียงหนึ่ง-ในสิบของเส้นผมมนุษย์เท่านั้นที่สามารถเฉือนเรือขนาดยักษ์ได้ เช่น เต้าหู้ แนวคิดนี้ไม่ได้ถูกสร้างขึ้นมาจากอากาศบาง - ต้นแบบของมันคือท่อนาโนคาร์บอน

ท่อนาโนคาร์บอนสามารถบรรลุผลอะไรได้ในความเป็นจริง?

แข็งแกร่งกว่าเหล็ก 100 เท่า:ท่อนาโนคาร์บอนที่บางกว่าเส้นผมมนุษย์สามารถยกรถยนต์ได้ในทางทฤษฎี

แข็งแกร่งกว่าไฟเบอร์ใดๆ:ท่อนาโนคาร์บอนนั้นเหนือกว่าเส้นใยใดๆ มากทั้งในด้านความแข็งแรงและความเหนียว

ลิฟต์อวกาศไม่ใช่ความฝัน:นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าท่อนาโนคาร์บอนเป็นวัสดุที่ดีที่สุดสำหรับการผลิตสายเคเบิลของ "ลิฟต์อวกาศ"

แน่นอนว่าคอขวดทางเทคนิคในปัจจุบันอยู่ที่วิธีการจำลองประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมของท่อนาโนคาร์บอนแต่ละท่อในวัสดุขนาดมหภาค นี่เป็นปัญหายากที่นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกกำลังพยายามแก้ไข

4. Tanfeng วัสดุใหม่ผลิต "Super Material" นี้ได้อย่างไร

Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. กำลังเปลี่ยนคุณสมบัติเชิงกลที่ดีเยี่ยมของท่อนาโนคาร์บอนให้เป็นผลิตภัณฑ์-ที่สามารถผลิตได้จำนวนมาก โดยนำ "วัสดุชั้นยอด" ออกจากห้องปฏิบัติการ

ทฤษฎีก็เป็นสิ่งหนึ่ง แต่การใช้ "พลังพิเศษ" ของท่อนาโนคาร์บอนกับผลิตภัณฑ์จริงอย่างแท้จริงนั้น จำเป็นต้องมีบริษัทที่เชี่ยวชาญ-เทคโนโลยีการผลิตขนาดใหญ่

Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. เป็นบริษัทดังกล่าวอย่างแน่นอน

มันทำอะไร?บริษัทมุ่งเน้นไปที่การวิจัยและพัฒนาและการผลิตผงคาร์บอนนาโนทิวบ์ กาวนำไฟฟ้า และซิลิคอน-วัสดุแอโนดคาร์บอน ผลิตภัณฑ์ของบริษัทครอบคลุมท่อนาโนคาร์บอน-ผนังเดี่ยวและท่อนาโนคาร์บอนผนังหลาย-อย่างเต็มรูปแบบ

ความสามารถทางเทคนิคของมันคืออะไร?

ถือสิทธิบัตรที่เกี่ยวข้องกับท่อนาโนคาร์บอนมากกว่า 10 ฉบับ

เชี่ยวชาญกระบวนการเตรียมการต่างๆ รวมถึงการปล่อยอาร์ก การระเหยด้วยเลเซอร์ และการสะสมไอสารเคมี (CVD)

ความบริสุทธิ์ของผลิตภัณฑ์มากกว่าหรือเท่ากับ 98%; ขนาดอนุภาคผงสามารถเข้าถึง 5-15 μm

ผลผลิตต่อเดือนสูงถึง 200 ตันแล้วในการผลิตจำนวนมาก

คุณสมบัติทางกลของท่อนาโนคาร์บอนใช้ที่ไหน?โมดูลัสของ Young ตามทฤษฎีของผลิตภัณฑ์ท่อนาโนคาร์บอนของ Tanfeng สามารถเข้าถึง 5 TPa โดยมีความแข็งแรงมากกว่าเหล็กประมาณ 100 เท่า และมีความหนาแน่นเพียง 1/6 ของเหล็ก คุณสมบัติทางกลที่ยอดเยี่ยมเหล่านี้ถูกนำมาใช้ในด้านต่อไปนี้:

บริษัทปฏิบัติตามกลยุทธ์การพัฒนาระดับชาติสำหรับพลังงานใหม่และวัสดุใหม่อย่างใกล้ชิด โดยมีขอบเขตธุรกิจกระจายอยู่ทั่วประเทศ โดยมีเป้าหมายที่จะเป็น "ผู้ให้บริการวัสดุขั้นสูงและผู้ให้บริการด้านเทคนิค"

สรุปหนึ่ง-ประโยค:ในขณะที่นักวิทยาศาสตร์พิสูจน์ในห้องปฏิบัติการว่าท่อนาโนคาร์บอนเป็น "ซุปเปอร์ไฟเบอร์" บริษัทอย่าง Tanfeng New Material กำลังเปลี่ยนให้เป็นผลิตภัณฑ์ที่คุณสามารถซื้อได้

สรุป: อันไหนยากกว่ากัน? คำตอบขึ้นอยู่กับว่าคุณให้คำจำกัดความ "ยาก" อย่างไร

ข้อสรุปสุดท้ายคือ:

ในความหมายดั้งเดิมของ "ความต้านทานการสึกหรอ" เพชรและท่อนาโนคาร์บอนต่างก็มีข้อดีของตัวเอง แต่ในแง่ของ "คุณสมบัติทางกลที่ครอบคลุม" - โดยเฉพาะความต้านทานแรงดึง ความเหนียว และความแข็งแรงจำเพาะ - ท่อนาโนคาร์บอนถือเป็นราชาที่ไม่มีใครโต้แย้งได้

เพชรเป็น "แร่ธาตุธรรมชาติที่แข็งที่สุดในโลก" แต่ท่อนาโนคาร์บอนเป็น "เส้นใยที่แข็งแกร่งที่สุดที่มนุษย์สร้างขึ้น"

ดังที่นักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุคนหนึ่งกล่าวไว้ว่า "เพชรคือราชาแห่งอดีต ท่อนาโนคาร์บอนคือรากฐานที่สำคัญของอนาคต"

และเนื่องจากวัสดุในอนาคตนี้-ผลิตโดยซานตง ตันเฟิง เราจึงสามารถพูดได้ว่า: ยุคของท่อนาโนคาร์บอนได้มาถึงแล้ว