إحداها أخف من الورق! إليكم أكثر المواد متانة وصلابة على وجه الأرض

من الأدوات إلى المركبات والصواريخ مروراً بالمجوهرات، استخدم الإنسان العديد من الموارد الطبيعية وغالباً ما يُحكم على المنتجات، خاصةً إذا كانت تندرج تحت فئة "التقنية"، من خلال مدى جودة تصنيعها ومدى متانتها ومدى تأثير الاستخدام طويل الأجل على السلامة المادية لعناصر المنتج. لذا، إذا كنت تريد شيئاً مرناً، فأنت بحاجة إلى مادة صلبة أو متينة، وهذا ما توصل إليه البشر اكتشافاً وتصنيعاً حتى الآن.

أكثر المواد متانة

بدايةً، ماذا تعني كلمة متانة المادة؟ في هذا التعبير، تتم الإشارة إلى قوة مادة معينة لتحمُّل درجات مختلفة من القوة الخارجية التي تضغط على المادة. وتُقاس المواد فائقة الصلابة بمقياس يُعرف باسم اختبار فيكرز للصلابة، حسب ما نشره موقع كندي. الوحدة التي تعبر عن نوع الضغط الذي يمكن أن يتحمله عنصر ما قبل أن ينكسر تسمى غيغا باسكال (GPa)؛ على سبيل المثال، أقوى مادة موجودة بشكل طبيعي نعرفها هي الألماس، وهي تسجل بين 70 و150 غيغا باسكال. ويعتبر أي شيء يزيد قياسه على 40 غيغا باسكال مادة فائقة الصلابة.

1. الغرافين

المادة الأولى في هذه القائمة هي مادة يُتوقع أن يكون لها تأثير هائل على صناعة الطيران وإنتاج السيارات. ومع ذلك، منذ اكتشافها في عام 2010، لم تستخدم بعدُ خارج نطاق التطبيقات التجريبية، وتحديداً تلك المتعلقة بالفضاء، والتي أظهرت نتائج واعدة للغاية. إنها مادة أقوى 200 مرة من الفولاذ، وأخف ألف مرة من الورق. ويتكون الغرافين من طبقة واحدة فقط من ذرات الكربون المتراصة في شكل شبكة مثلثة الشكل، وهي مرنة للغاية، والطريقة التي تترابط بها ذرات الكربون معاً تجعلها مادة قوية للغاية وموصلاً ممتازاً للكهرباء والحرارة.

بالمقارنة مع النحاس، فإن الأشرطة المكونة من صفائح الغرافين المربوطة معاً والتي تمثل 10% من كتلة النحاس، تصل إلى ضعف الموصلية الحرارية. وفي حين يتوقع الخبراء قرب استخدامها في السيارات والطائرات والعديد من الأجهزة الإلكترونية التي تستخدم التكنولوجيا القائمة على الغرافين في السنوات القليلة المقبلة، لا يزال التحدي قائماً في إنتاجها بكميات كبيرة.

2. ألياف الكربون

ألياف الكربون هي أحد أشكال الألياف التي تحتوي في الغالب على ذرات كربون مرتبة في نمط سداسي، ويبلغ قطر هذه الألياف نحو 5-10 ميكرومترات. الفرق الرئيسي بين الغرافين وألياف الكربون هو الحجم، إذ تبلغ سماكة الغرافين طبقة ذرة كربون واحدة بقطر أصغر بكثير. إن سمات ألياف الكربون تجعل منها خياراً رائعاً لتصنيع المعدات العسكرية والصواريخ وأجزاء السيارات الرياضية بصلابة عالية ووزن منخفض للغاية. وبإمكان ألياف الكربون أيضاً تحمُّل درجات حرارة عالية جداً ومقاومة عالية لعدد من المواد الكيميائية.

3. الكيفلار

مادة صلبة أخرى أُدخلت في صناعة السيارات والصناعات العسكرية هي مادة الكيفلار. والكيفلار أقوى بخمس مرات من الفولاذ عندما يتعلق الأمر بالضغط الذي يمكنه تحمُّله. وهذا هو السبب في أنها لا تزال تستخدم في صناعة السترات الواقية من الرصاص: فهي شديدة الصلابة، وفائقة الخفة.

4. الألماس

ربما توقعت أن ترى الألماس على رأس هذه القائمة، لكن المواد التي صنعها الإنسان أقوى بكثير من أصلب المعادن التي يمكن أن نجدها على الأرض. لا يزال الألماس، برغم ندرته وسعره المرتفع للغاية، يستخدم في العديد من الصناعات. وتعمل بعض الأنواع الخاصة من الألماس الأزرق بشكل خاص، بوصفها عوازل وموصلات وأشباه موصلات كهربائية.

5. الألياف الزجاجية

هذه المادة الاصطناعية صُنعت لأول مرة في ثلاثينيات القرن الماضي، وهي تشبه إلى حد كبيرٍ ألياف الكربون. ومع ذلك، فإن صناعتها أرخص بكثير من ألياف الكربون، وهذا هو السبب في أنها كانت تستخدم في كثير من الأحيان كوسيلة لعزل المبنى حرارياً.

وماذا عن شبكة العنكبوت؟

من الناحية البيولوجية، تُعرف شبكة العنكبوت بأنها الأكثر متانةً في الطبيعة، لناحية نسبة القوة إلى الوزن، مقارنة بمعظم المواد التقليدية مثل الألومنيوم أو الفولاذ، كما أن شبكة العنكبوت فريدة لمدى رقتها ولصقها. من بين جميع العناكب في العالم، فإن عناكب داروين هي الأقوى، وتحديداً أقوى بعشر مرات من مادة الكيفلار، حسب ما نشرته مجلة أمريكية. وتعد شبكة العنكبوت رقيقة وخفيفة جداً لدرجة أن نحو 454 غراماً من شبكة عنكبوت داروين تشكل خيطاً طويلاً بما يكفي للف محيط الكوكب بأكمله.