Bilimi seven herhangi bir kişiye dünyadaki en sert malzemeyi sorduğunuzda muhtemelen alacağınız cevap elmas olacaktır. Elmas gerçekten de son derece sert ve dayanıklı bir maddedir ancak son keşifler ve çalışmalar sonucunda en sert malzeme listesinde 7. sıraya düşmüştür. Hangi malzemenin 1 numara olduğunu tahmin edebilir misiniz?
Karbon, diğer elementlere benzemeyen kimyasal ve fiziksel özellikleriyle doğadaki en büyüleyici elementlerden biridir. Çekirdeğinde yalnızca altı proton bulunan bu element, bir dizi karmaşık bağ oluşturabilen en hafif elementtir. Bilinen tüm yaşam formları karbon bazlıdır, çünkü atomik özellikleri aynı anda dört atoma kadar bağlanmasını sağlar. Bu bağların olası geometrileri, karbonun, özellikle yüksek basınç altında, kararlı bir kristal kafes halinde kendiliğinden bir araya gelmesini de sağlar. Koşullar tam olarak uygunsa, karbon atomları elmas olarak bilinen katı, ultra sert bir yapı oluşturacaktır.
Elmas Neden Serttir?
Bu soruya bir cevap vermek için elmas ve yazı yazmamıza imkan veren grafiti ele alalım. İkisi de birbirlerinden çok farklıdır. Elmas en sert maddelerden biri olarak bilinmektedir. Tam tersine grafit ise yumuşaktır. Aralarındaki fark, moleküllerinde bulunan karbon atomlarının farklı düzende olmasından kaynaklanır.
Elmasta, karbon atomları düzgün dörtyüzlü (tetrahedral) denen geometrik şeklin köşelerinde yer alır ve birbirlerine büyük bir kuvvetle bağlıdır. Elmas bu yüzden çok serttir. Oysa grafitte karbon atomları düzlemler içinde dizilir ve düzlemler arası bağlar zayıftır. Grafitin çok yumuşak olup pul pul ayrılmasının nedeni budur.
Elmaslar yerkabuğunun derinliklerinde, 1.000 derecenin üzerindeki sıcaklıklarda karbonun ezilmesiyle oluşur. Elmaslar dokunulduğunda hep soğuk olur çünkü ısı iletkenlikleri o kadar yüksektir ki ısıyı hızla uzaklaştırırlar. Tüm bunlar, karbon atomlarının elmaslarda sağlam bir piramit şeklinde dizilmesinden kaynaklanmaktadır. 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
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
