فلزات در آب فرو نمی روند. چرا کشتی های آهنی غرق نمی شوند؟ سبک ترین فلزات جهان

یک تیم روسی-آمریکایی از محققان یک پیشرفت انقلابی ارائه کرده اند: آلومینیوم فوق سبک که در آب غرق نمی شود.

شیمیدانان دانشگاه فدرال جنوبی روسیه و دانشگاه یوتا (ایالات متحده آمریکا) یک شکل کریستالی فوق سبک جدید از آلومینیوم ساخته اند. در آب فرو نمی رود و می توان از آن در عرصه های مختلف اقتصادی و صنعتی استفاده کرد. یک رویکرد نوآورانه با استفاده از فناوری رایانه برای ایجاد یک ماده جدید استفاده شد. این مطالعه توسط Science Daily گزارش شده است.

پروفسور الکساندر بولدیرف از دانشگاه یوتا به همراه همکارانش از دانشگاه فدرال جنوبی، آلومینیوم معمولی را در سطح مولکولی بازسازی کردند. برای انجام این کار، کارشناسان از مدل سازی کامپیوتری استفاده کردند و یک شبکه کریستالی جدید را "مونتاژ" کردند.

بولدیرف توضیح می دهد: تیم او با شبکه کریستالی الماس کار کردند. با در نظر گرفتن ساختار آن به عنوان پایه، دانشمندان جایگزین هر اتم کربنچهار وجهی آلومینیومی
نتیجه، شکل جدیدی از سبک‌ترین آلومینیوم بود. تراکم آن – 0.61 گرم بر سانتی متر مکعب (برای مقایسه: آلومینیوم معمولی دارای چگالی 2.71 گرم بر سانتی متر مکعب است).
این بدان معنی است که آلومینیوم با شکل کریستالی جدید روی سطح آب شناور خواهد شد که چگالی آن یک گرم بر سانتی متر مکعب است.

این ویژگی چشم انداز عظیمی را برای استفاده از یک فلز جدید باز می کند - یک پارامغناطیس نسبتا ارزان و آسان برای تولید و مقاوم در برابر خوردگی. نویسندگان این کار مطمئن هستند که ساخت فضا، پزشکی، الکترونیک و ساخت خودرو تنها برخی از زمینه هایی هستند که آلومینیوم فوق سبک در آنها کاربرد پیدا می کند. درست است، آنها هنوز باید ماده جدید را در شرایط مختلف آزمایش کنند، اول از همه، برای آزمایش استحکام آن.

دنیس زلنوف به انجام آن کمک کرد. 10 سال.

در تابستان، دنیس در کانال ولگا-دون شنا کرد. کشتی‌های بزرگ را که در امتداد کانال راه می‌رفتند و در اتاق قفل بالا و پایین می‌رفتند، تماشا کردم. و من فکر کردم: چه چیزی به آنها اجازه می دهد نه تنها روی آب شناور شوند، بلکه بارهای سنگین را نیز حمل کنند؟

چرا کشتی ها می توانند روی آب راه بروند؟

دلایل متعددی وجود دارد.

1. تراکم

تجربه 1

همه ما می دانیم که اگر یک تخته چوبی را در آب بیندازید، روی سطح آن قرار می گیرد، اما یک ورق فلزی به همان اندازه بلافاصله شروع به فرو رفتن می کند.

چرا این اتفاق می افتد؟ این نه با وزن جسم، بلکه با چگالی آن تعیین می شود. چگالی جرم ماده ای است که در حجم معینی وجود دارد.

تجربه 2

ما مکعب هایی با همان اندازه 70x40x50 میلی متر از مواد مختلف - فلز، چوب، سنگ و فوم برداشتیم و آنها را وزن کردیم. و دیدند که مکعب ها وزن های متفاوتی دارند و در نتیجه چگالی های متفاوتی دارند.

وزن مکعب از:

• سنگ - 264 گرم،
• فوم پلی استایرن - 3 گرم،
• فلز - 1020 گرم،
• چوب - 70 گرم.

از این نتیجه به این نتیجه رسیدند که در بین مکعب ها متراکم ترین ماده فلز و پس از آن سنگ، چوب و فوم است.

تجربه 3

اگر این مکعب ها در آب قرار بگیرند چه اتفاقی می افتد؟ همانطور که از تجربه مشاهده می شود، سنگ و فلز غرق شدند - چگالی آنها بیشتر از چگالی آب است، اما فوم و چوب اینطور نیستند - چگالی آنها کمتر از چگالی آب است. این بدان معناست که هر جسمی اگر چگالی آن کمتر از چگالی آب باشد شناور خواهد شد.

بنابراین برای اینکه کشتی روی آب شناور باشد باید طوری ساخته شود که چگالی آن کمتر از چگالی آب باشد. فرض کنید آن را از ماده ای می سازیم که چگالی آن کمتر از چگالی آب است و غرق نمی شود - مثلاً از چوب. از تاریخ می دانیم که مردم ابتدا با استفاده از خاصیت چوب - شناوری، قایق ها و سپس قایق ها را از چوب می ساختند.

امروزه کشتی های زیادی را می بینیم که از فلز ساخته شده اند، اما غرق نمی شوند. دلیلش این است که بدن آنها پر از هوا است. هوا چگالی بسیار کمتری نسبت به آب دارد. این کشتی، همانطور که بود، یک چگالی کلی هوا و فلز ایجاد می کند. در نتیجه چگالی متوسط ​​کشتی به همراه حجم عظیم هوای بدنه آن کمتر از چگالی آب می شود. به همین دلیل است که یک کشتی سنگین غرق نمی شود. اجازه دهید این را با تجربه تایید کنیم.

تجربه 4

بیایید یک ورقه فلزی صاف را در آب پایین بیاوریم - بلافاصله غرق می شود، اما هر ظرفی با طرفین شناور می ماند - ذخیره ای از شناور را تشکیل می دهد. شما حتی می توانید یک بار در آنجا قرار دهید.

تجهیزات نجات دهنده نیز کار می کنند: جلیقه یا دایره ای که توسط یک فرد پوشیده می شود. با کمک آنها می توان تا رسیدن امدادگران شناور ماند.

2. نیروی شناوری

علاوه بر این، یک نیروی شناور بر جسم غوطه ور در آب وارد می شود. در شکل می بینیم که نیروهای فشار از همه طرف بر بدن وارد می شوند:

نیروهایی که در جهت افقی عمل می کنند، یعنی. در کشتی، متقابلاً به یکدیگر غرامت بدهند. فشار روی سطح پایین - در پایین - از فشار بالا بیشتر است. در نتیجه یک نیروی شناور رو به بالا ایجاد می شود.

این به وضوح از تجربه زیر قابل مشاهده است.

تجربه 5

یک توپ با هوا در داخل، غوطه ور در آب، با قدرت از آن خارج می شود.

این به عنوان یک نیروی شناور (نیروی ارشمیدس) روی توپ عمل می کند. این چیزی است که کشتی را شناور نگه می دارد و به کشتی اجازه شناور می دهد.

1-نیروهای نگهدارنده 2-فشار آب روی کشتی

عمل نیروی شناور به چه چیزی بستگی دارد؟

اول- این بستگی به حجم کشتی دارد و دوم - به چگالی آبی که کشتی در آن شناور است. این نیرو بیشتر است، حجم جسم غوطه ور بیشتر است. بیایید این را با تجربه بررسی کنیم.

تجربه 6

وزنه کوچکی روی تخته شناور می گذاریم و غرق می شوند. اما حجم یک قایق بادی بسیار بیشتر است و حتی می تواند چندین نفر را پشتیبانی کند.

دوم- نیروی شناور با افزایش چگالی آب تغییر می کند. چگالی آب را می توان با نمک زدن بسیار بسیار زیاد افزایش داد.

اجازه دهید این را با آزمایش زیر ثابت کنیم.

کلمه "فلز" اغلب با سنگینی همراه است. این دور از واقعیت است. همه فلزات خواص بسیار متفاوتی دارند. برخی از آنها آنقدر سبک هستند که حتی در آب فرو نمی روند. کدام فلز سبک ترین است؟ خواص آن چیست؟ بیایید دریابیم.

سبک ترین فلزات جهان

فلزاتی که چگالی کمی دارند نور نامیده می شوند. این به هیچ وجه یک اتفاق نادر نیست. موادی با چنین ویژگی هایی تقریباً 20 درصد از جرم پوسته زمین را تشکیل می دهند. آنها به طور فعال استخراج می شوند و به طور گسترده در صنعت استفاده می شوند.

سبک ترین فلز لیتیوم است. علاوه بر کمترین جرم اتمی، کمترین چگالی را نیز دارد که دو برابر کمتر از آب است. پس از لیتیوم، پتاسیم، سدیم، آلومینیوم، روبیدیم، سزیم، استرانسیوم و غیره قرار می گیرند که از جمله این موارد می توان به تیتانیوم اشاره کرد که بیشترین استحکام را در بین فلزات دارد.

آلومینیوم نیز سبک و بادوام است. این سومین شایع ترین در پوسته زمین است. تا زمانی که مردم یاد گرفتند که آن را به صورت صنعتی بدست آورند، این فلز گرانتر از طلا بود. امروزه می توان یک کیلوگرم آلومینیوم را با قیمتی حدود 2 دلار خریداری کرد. هم در موشک و صنایع نظامی و هم برای ساخت فویل های غذایی و اقلام آشپزخانه استفاده می شود.

لیتیوم

لیتیوم در گروه اول جدول تناوبی عناصر قرار دارد. بعد از هیدروژن و هلیوم شماره 3 است و کمترین جرم اتمی را در بین تمام فلزات دارد. یک ماده ساده - لیتیوم، در شرایط عادی دارای رنگ سفید نقره ای است.

این فلز سبک ترین فلز قلیایی با چگالی 0.534 گرم بر سانتی متر مکعب است. به همین دلیل، نه تنها در آب، بلکه در نفت سفید نیز شناور است. برای نگهداری آن معمولا از پارافین، بنزین، روغن های معدنی یا اتر نفت استفاده می شود. لیتیوم بسیار نرم و انعطاف پذیر است و به راحتی با چاقو برش داده می شود. برای ذوب این فلز باید آن را تا دمای 180.54 درجه سانتی گراد گرم کرد. فقط در دمای 1340 درجه سانتیگراد می جوشد.

تنها دو ایزوتوپ پایدار از این فلز در طبیعت وجود دارد: لیتیوم-6 و لیتیوم-7. علاوه بر آنها، 7 ایزوتوپ مصنوعی و 2 ایزومر هسته ای وجود دارد. لیتیوم یک محصول میانی در واکنش تبدیل هیدروژن به هلیوم است که در نتیجه در فرآیند تشکیل انرژی ستاره ای شرکت می کند.

واکنش با لیتیوم

با توجه به ماهیت قلیایی آن، می توان فرض کرد که بسیار فعال است. با این حال، فلز آرام ترین نماینده گروه خود است. در دمای معمولی اتاق، لیتیوم با اکسیژن و بسیاری از مواد دیگر واکنش ضعیفی دارد. پس از گرم شدن "خویش خشن" خود را نشان می دهد، سپس با اسیدها، گازها و بازهای مختلف واکنش نشان می دهد.

برخلاف سایر فلزات قلیایی، به آرامی با آب واکنش می دهد و هیدروکسید و هیدروژن تشکیل می دهد. عملا هیچ واکنشی با هوای خشک وجود ندارد. اما اگر خیس باشد، لیتیوم به آرامی با گازهای خود واکنش می دهد و نیترید، کربنات و هیدروکسید تشکیل می دهد.

در دماهای معین، سبک ترین فلز با آمونیاک، اتیل الکل، هالوژن، هیدروژن، کربن، سیلیکون و گوگرد فعال است.

آلیاژهای لیتیوم

خواص لیتیوم باعث افزایش کیفیت خاصی از فلزات می شود، به همین دلیل است که اغلب در آلیاژها استفاده می شود. واکنش آن با اکسیدها، هیدروژن و سولفیدها مفید است. هنگامی که گرم می شود، با آنها ترکیبات نامحلول ایجاد می کند که به راحتی از فلزات مذاب استخراج می شود و آنها را از این مواد پاک می کند.

برای ایجاد مقاومت در برابر خوردگی و شکل پذیری آلیاژ، آن را با منیزیم و آلومینیوم مخلوط می کنند. مس آلیاژ شده با آن متراکم تر و کمتر متخلخل می شود و الکتریسیته را بهتر هدایت می کند. سبک ترین فلز باعث افزایش سختی و شکل پذیری سرب می شود. در عین حال، نقطه ذوب بسیاری از مواد را افزایش می دهد.

به لطف لیتیوم، این فلز بادوام و مقاوم در برابر آسیب می شود. در عین حال آنها را سنگین نمی کند. به همین دلیل از آلیاژهای مبتنی بر آن در مهندسی فضا و هوانوردی استفاده می شود. عمدتاً از مخلوط های کادمیوم، مس، اسکاندیم و منیزیم استفاده می شود.

یافتن در طبیعت و معنا

سبک ترین فلز حدود 30 ماده معدنی دارد، اما تنها 5 مورد از آنها در صنعت استفاده می شود: پنتالیت، آمبلیگونیت، لپیدولیت، زین والدیت و اسپودومن. علاوه بر این، در دریاچه های نمک قرار دارد. در مجموع، پوسته زمین حاوی 0.005 درصد از این فلز است.

ذخایر صنعتی بزرگ لیتیوم در تمام قاره ها یافت می شود. در برزیل، استرالیا، آفریقای جنوبی، کانادا، ایالات متحده آمریکا و سایر کشورها استخراج می شود. پس از آن در الکترونیک، متالورژی، مواد لیزری، انرژی هسته ای و حتی پزشکی استفاده می شود.

در بدن ما در کبد، خون، ریه ها، استخوان ها و سایر اندام ها یافت می شود. کمبود لیتیوم منجر به اختلال در عملکرد سیستم عصبی و مغز می شود. مقاومت بدن را در برابر بیماری ها افزایش می دهد و فعالیت آنزیم ها را فعال می کند. برای مبارزه با بیماری آلزایمر، اختلالات روانی، اسکلروز و اعتیادهای مختلف استفاده می شود.

سمیت

با وجود نقش بیولوژیکی مهم لیتیوم در بدن ما، می تواند خطرناک باشد. سبک ترین فلز کاملا سمی است و می تواند باعث مسمومیت شود. هنگام سوختن، باعث تحریک و تورم غشاهای مخاطی می شود. اگر یک تکه فلز کامل روی آنها بنشیند، همین اتفاق می افتد.

لیتیوم را نباید بدون دستکش کار کرد. با تعامل با رطوبت هوا یا رطوبت روی پوست به راحتی باعث سوختگی می شود. شما باید بیشتر مراقب فلز مذاب باشید، زیرا فعالیت آن به طور قابل توجهی افزایش می یابد. هنگام کار با آن، باید به یاد داشته باشید که یک قلیایی است. با سرکه معمولی می توانید اثر آن را روی پوست کاهش دهید.

لیتیوم در بدن باعث افزایش ثبات سیستم ایمنی و بهبود عملکرد سیستم عصبی می شود. اما زیاده روی آن با سرگیجه، خواب آلودگی و بی اشتهایی همراه است. مسمومیت با فلزات منجر به کاهش میل جنسی، ضعف عضلانی و افزایش وزن می شود. در این حالت بینایی و حافظه ممکن است بدتر شود و کما رخ دهد. هنگام کار با لیتیوم، همیشه باید از دستکش، لباس محافظ و عینک استفاده کنید.

) همراه با متخصصان دانشکده مهندسی پلی تکنیک در دانشگاه نیویورک، کامپوزیت فلزی جدیدی ساخته اند که آنقدر سبک است که می تواند روی آب شناور باشد و غرق نشود.

کامپوزیت زمینه آلیاژ منیزیم یک فوم به اصطلاح نحوی است، نوعی ماده کامپوزیت که از پر کردن یک ماتریس فلزی، پلیمری یا سرامیکی با ذرات توخالی ایجاد می‌شود. در این مورد، ماتریس آلیاژ منیزیم با ذرات توخالی کاربید سیلیکون توسعه یافته توسط DST پر می شود. یعنی نوعی فوم فلزی است.

دانشمندان ادعا می کنند که نتیجه سبک ترین فوم نحوی جهان با ماتریس فلزی است. ساختار "فوم" به مواد اجازه می دهد تا چگالی 0.92 گرم در سانتی متر مکعب، کمتر از چگالی آب داشته باشند، بنابراین مواد می توانند روی سطح مایع شناور شوند و غرق نشوند.

توپ های بسیار بادوام کاربید سیلیکون می توانند فشار بیش از 1757.6 کیلوگرم بر سانتی متر مربع را تحمل کنند. چنین کره هایی همچنین می توانند با عمل به عنوان جاذب انرژی، مقاومت در برابر ضربه ایجاد کنند.

تغییر تعداد کره‌هایی که به ماتریس اضافه می‌شوند به کامپوزیت اجازه می‌دهد تا چندین ویژگی دیگر را بدست آورد که بسته به هدف برنامه قابل تنظیم هستند.

در آینده، از چنین موادی می توان برای ساخت کشتی های دریایی استفاده کرد که حتی پس از آسیب رساندن به بدنه، شناور خواهند ماند. علاوه بر این، این ماده به اندازه کافی متراکم بود تا کشتی ساخته شده از آن بتواند در شرایط سخت دریا مقاومت کند.

این ماده همچنین دارای مقاومت حرارتی است و آن را به جایگزین مناسبی برای کامپوزیت‌های ماتریس پلیمری سبک وزن تبدیل می‌کند که در سال‌های اخیر تمرکز تحقیقات زیادی بوده و برای ساخت قطعات دریایی و خودرویی (به‌جای قطعات سنگین‌تر مبتنی بر فلز) استفاده می‌شود.

نیکیل گوپتا، استاد مهندسی مکانیک و هوافضا، یکی از نویسندگان این مطالعه، گفت: «این پیشرفت جدید در مواد کامپوزیت، یک ماده بسیار سبک وزن است که به ما امکان می‌دهد به ساخت قطعات از فلز بازگردیم اگر قطعات برای موتور ساخته شوند یا با گازهای خروجی تماس پیدا کنند، دمای بالاتر ممکن است به یک مزیت بزرگ تبدیل شود."

برخی از کاربردهای بالقوه این ماده شامل نه تنها پوشش کف کشتی است، بلکه به گفته سازندگان، برای ساخت قطعات خودرو، وسایل نقلیه شناور و زره برای وسایل نقلیه نظامی نیز مفید خواهد بود. این آخرین مثال توضیح می دهد که چرا DST با حمایت آزمایشگاه تحقیقاتی ارتش ایالات متحده در حال توسعه است.

به گفته توسعه دهندگان، نمونه های اولیه دستگاه های ساخته شده از مواد جدید طی سه سال آینده آزمایش خواهند شد.

جزئیات در یک مقاله علمی منتشر شده در Journal of Impact Engineering آمده است.