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最硬物质

如今已知的最硬物质是“石墨烯”,是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。

最硬物质基本信息

目录

  1. ▪ 研究过程
  2. ▪ 发现者
  3. ▪ 未来前景

石墨烯

发现过程

法国皇帝拿破仑曾经说过:“笔比剑更有威力”,然而他绝对不会想到铅笔中竟然包含着地球上强度最高的物质!美国哥伦比亚大学两名华裔科学家最近研究发现,铅笔石墨中一种叫做石墨烯的二维碳原子晶体,竟然比钻石还坚硬,强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。这种物质不仅可以用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、制造出超坚韧的防弹衣,甚至还为“太空电梯”超韧缆线的制造打开了一扇“阿里巴巴”之门,能让科学家梦寐以求的23000英里长太空电梯在不久的将来成为现实!

2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,成功从石墨中分离出石墨烯,证实它可以单独存在,两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖 。铅笔中的石墨是由无数只有碳原子厚度的“石墨烯”薄片压叠形成的,石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料,是碳的二维结构。自从2004年石墨烯被发现以来,有关的科学研究就从未间断过。然而直到最近,美国科学家才首次证实了人们长久以来的怀疑,石墨烯竟是世界上已知的强度最高的材料!

最硬物质研究过程

这一惊人的科学发现是由美国哥伦比亚大学的两名华裔科学家李成古和魏小丁(音译)一起研究得出的,而研究的主要工具之一竟是普通的透明胶带!李成古说:“为了了解石墨烯的强度,我们首先必须从石墨上剥离出一些石墨烯薄片,于是我们想到了透明胶带。”科学家先将“思高牌”胶带粘在一块石墨上,然后再撕下来,接着科学家又将胶带粘到了一块面积只有1平方英寸的硅片上,然后再将胶带从硅片上撕下来,这时数千小片石墨都粘到了硅片上,而硅片上则有数千个肉眼看不见的小孔。这时,科学家开始采取高科技手段,将硅片放置在电子显微镜下进行观察,科学家花费数天时间,希望能在硅片小孔上发现合适的单原子厚的石墨烯薄片。一旦科学家发现了一些只有100分之一头发丝宽度的石墨烯薄片后,他们就开始使用原子尺寸的金属和钻石探针对它们进行穿刺,从而测试它们的强度。让科学家震惊的是,石墨烯可能比钻石还强硬,它的强度比世界上最好的钢铁还高100倍!

最硬物质发现者

魏小丁(左)和李成古(音译)

最硬物质未来前景

不过科学家可能仍然需要花费数年甚至几十年时间,才能找到一种将石墨转变成大片高质量石墨烯“薄膜”的方法,从而可以用它们来为人类制造各种有用的物质。

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最硬物质造价信息

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最硬物质常见问题

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最硬物质文献

硬岩抗剪强度参数的最优化确定法 硬岩抗剪强度参数的最优化确定法

硬岩抗剪强度参数的最优化确定法

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页数: 6页

硬岩抗剪强度参数的最优化确定法——为了减小岩工程分析计算的工作量和节约研究经费,须利用有限的室内实验样本的测定值,通过对有限实验样本数据的回归分析整理,确定岩石抗剪强度参数c、 ,进而估计岩体的抗剪强度c、弘由于试验方法、试验条件等有一定局限性...

世界最硬钢 有望在惠州产业化

贾春德和他的“最硬钢”。南方日报记者王昌辉 摄

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科交会动态、回顾

还有一周,第二届中国科交会就要开幕。回顾首届科交会,当时签约的将近700个成果转化项目进展如何?近日,南方日报探访了“纳米金刚石颗粒增强钢铁基复合材料产业化”项目,它的首批意向投资金额5亿元,是首届科交会成果转化签约额度最高的项目。

该项目由原沈阳理工大学校长贾春德与北京某公司签约合作。现已成立惠州碳之光材料科技有限公司专门从事产业化。同时,碳之光还与中国高校(华南)科技成果转化中心签约,在惠州建设了金属纳米复合材料研究院,成为此类产品的研发基地。

南方日报记者 刘光明宝

偶然发现纳米金刚石和金属结合紧密

走进惠州市潼湖生态智慧区创新园,在金属纳米复合材料研究院的实验室里,可以看到一些方形、圆柱形或异形的金属块。摸上去有点凉,掂一掂比较沉,和一般金属无异,在实验室里并不显眼,上面标了一些由字母和数字组成的标识。

贾春德告诉记者,这可以说是目前世界上最硬的钢,上面的字母和数字表示它的硬度。去年6月,贾春德带着它的技术成果参加了在惠州举行的首届中国高校科技成果交易会,随后签下了5亿元的成果转化项目,成为意向签约金额最高的项目。

贾春德介绍,1985年,他在加拿大某大学材料科学与工程系做访问学者,主要做磨损的动态直接观测。研究中发现,电镀金刚石中的金刚石颗粒和金属基体结合得非常紧密,作为复合材料可以磨削陶瓷。于是萌发了一个想法,能不能用它开发钢铁基复合材料呢?

1990年左右,回国后担任一家公司工程技术中心负责人的贾春德,接到研发某型号武器特种润滑油的任务。当时,白俄罗斯已经研制出纳米金刚石了,而且有纳米金刚石作为润滑油添加剂能提高润滑油性能的报道。研究发现这种小颗粒的金刚石可以转移,并且沉积到金属零件表面,形成很坚固的保护膜。这个现象提示了他,金刚石和铁天然有亲和力。既然如此,能不能让金刚石进到钢铁基体里面去?

后来,贾春德和团队经过反复实验,研制成了纳米金刚石超级耐磨材料,并用多种测试手段进一步证实了纳米金刚石的确热扩散进到钢铁基体里了。这有望使中国进入世界钢铁基纳米复合材料的前列。基于此重大发现,贾春德、杨树桐、段占强团队发明了纳米金刚石颗粒增强钢铁基复合材料生产的工艺技术。

贾春德介绍,这种纳米复合结构的钢铁材料具有极其优异的机械物理性能,硬度、强度、抗冲击、抗疲劳、超级耐磨、加工性良好。大约到2005年,成套的工业化生产工艺已近成熟、具备了产业化的条件。此后,由于自己有些事情要处理,直到近几年才着手推进它的产业化。

有望形成千亿级产业

技术的突破、产业的需求,促使贾春德开始探索纳米金刚石的产业化之路。2017年6月,首届中国科交会在惠州举行,贾春德借此签约进行成果转化和产业化。

目前,他的团队已和华南中心成立金属纳米复合材料研究院,将围绕纳米金刚石技术开展研究。“我们发现了金刚石可以渗到钢里面,这只是发现了一个"金矿",大量的工作要开发这个"金矿",因此得研究以后才能够把它开发出来。”

这项技术究竟可以做什么?贾春德介绍,它可以应用在至少三个领域,即钢铁材料领域、机械制造领域、表面工程领域。

目前,世界上有200多种钢材,有2000多种特钢。这些钢有约80%可以变成金刚石颗粒增强的钢铁基复合材料,其性能都会有大幅度的提高。“我们的特钢不特,要进口大量高性能特钢,比如轴承用钢、齿轮用钢、高温锅炉用钢,甚至汽车发动机等,高档汽车弹簧等。”因此,这项技术可以在相当程度上解决高性能特钢的问题。

在机械制造领域,包括工程机械、煤炭机械、筑路机械、建筑机械、环保机械、能源机械、流体机械、动力传动机械,还有国防装备制造业和大量机械工具,每个方面的市场都非常巨大。另外还有表面工程领域。

贾春德认为,“纳米金刚石颗粒增强钢铁基复合材料产业化”项目在这三大领域都有广阔的前景,市场潜力难以准确估算。

根据计划,该项目意向性的5亿元投资将建一个集科学研究、新产品新工艺中试、高端装备研发和专业人才培养的金属纳米复合材料研究院有限公司。并以它为依托,通过技术服务、技术入股等形式与相关钢铁企业、机械制造企业共同创立国家级金刚石超级纳米钢高技术产业化联盟和产业化示范基地,期待未来的产业化示范基地达到1000亿元以上产值。贾春德介绍,今年,相关的资金将陆续到位,会购买一批实验装置和设备,引进专职的科研人员,建立测试基地,产业化进程将进一步加快。

对话

期待获得更多更好的科技服务

南方日报:在去年举行的首届科交会上,你和北京一家公司签了“纳米金刚石颗粒增强钢铁基复合材料产业化”项目。到现在为止,它的进展如何?

贾春德:首先是成立了惠州碳之光材料科技有限公司,它将专门从事纳米金刚石技术的产业化。同时还与华南中心联合成立了金属纳米复合材料研究院,成为此类产品的研发基地。当然,这两个单位基本上是一套团队,现有10多名研究骨干,在相关领域各有所长。此外,我们还成立了一个特种材料的院士工作站。

技术研究可以为产业化提供技术支撑,反过来,产业化可以为更深入的技术研究提供经费保障,两者相互促进。等相关的资金到位,将加快研究和产业化的步伐。

南方日报:这项技术的应用前景如何?

贾春德:坦白说,这个账很难算。它至少可以用在钢铁材料领域、机械制造领域、表面工程领域。

我们做的是世界上最耐磨的钢,也许一年之内就能推开市场。现在有一个研发中心,如果顺利,接下来外围将有10个转移基地,它们又和若干家大型工厂连在一起,这就构成了金刚石超级纳米钢的产业集群。我们的目标是实现1000亿元的产值,但实际的应用前景市场将远超这个规模。

南方日报:在惠州推进这项成果转化和产业化,有没有什么想法或建议?

贾春德:由于第一届科交会的机缘,我们在这里做研究和产业化。在推进的过程中,感觉能享受到的科技服务还不够多。比如在项目申报、院士工作站的引进等方面,有时候不知道找哪里对接。希望惠州能加强这方面的服务工作,促进好的成果转化项目更好更快地推进。

作者:南方日报

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物质三态物质状态

物质的交互状态

我们通常能够直接看到和接触的物质状态,它以各种粒子形态为基本表现形式如电子、质子、中子等。这些物质粒子总是以相互作用的形式存在于宇宙之中并随宇宙的演化发生改变。

物质的辐射状态

物质的辐射状态在这里并不包括物质粒子辐射,这里所指的是电磁辐射。它以电磁能量为基本表现形式,其主要特性是能量的传播和参与物质的交互作用。其一是改变物质的运动状态即改变物质的动能,如分子的热运动。其二是改变物质的能量状态,如原子的能级跃迁的能量改变。在电磁能量与物质相互作用中我们也可发现电磁能量即可被物质吸收也可发生折射和反射。高能电磁能量除以上的特性外它还可被分解为正反物质对,而正反物质相遇也可同时湮灭而转化为电磁能量。

暗物质状态

暗物质是我们未充分认知的领域。暗物质不以粒子形态出现,但它确实是客观存在的事物,当电荷移动时它表现出磁场特性并相互作用,移动电荷的结果破坏了原有的电磁作用状态产生了正反物质势垒,正反物质势垒反过来作用于移动电荷。但是正反物质势垒并未形成物质粒子,当撤去移动电荷时其势垒随即消失。2100433B

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物质三态物质变化

物质的变化过程

汽化:液态变气态, 吸热

液化:气态变液态, 放热

熔化:固态变液态, 吸热

凝固:液态变固态, 放热

升华:固态变气态, 吸热

凝华:气态变固态, 放热

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