Vores læser Michael Bjarnhof har spurgt: Hvad er den teoretiske grænse for materialers mekaniske styrke? Vil vi se broer med piller så tynde som tændstikker?
Ingeniøren-blogger og professor på DTU Nanotech Peter Bøggild svarer:
Først må jeg svare på, om det kan lade sig gøre at lave broer med piller som tændstikker, og der må jeg desværre skuffe.
For det første er der ikke noget, der tyder på, at man kan vil kunne lave materialer, der er ret meget stærkere end dem, vi kender i dag. Og selvom man kunne, ville det ikke betyde det store.
For det andet er den mekaniske styrke ikke lige så vigtig som dimensionerne/størrelsen/diameter i en lang række tilfælde.
Læs også: Sort fosfor er den nye konkurrent til grafen
Lad os tage det med styrken: Groft sagt handler det om styrken af bindingerne, der får atomerne til at hænge sammen, og den måde, de er arrangeret på - krystalstrukturen. Det første afgør, hvor meget kraft der skal til at splitte to atomer ad, og det andet afgør, hvorvidt stress koncentreres på en enkelt binding eller på flere, når det først begynder at gå galt. Krystalglas er både hårdt og stærkt, men flækker har en stærk tendens til at udvides,
Vi har allerede et materiale, der er noget nær perfekt på begge områder: grafen. Dette er 20-100 gange stærkere end stål og utrolig 'dygtigt' til ikke at gå i stykker under stresspåvirkning.
Med det, vi ved i dag, er det svært at se, hvordan noget materiale kan være ret meget stærkere eller mere stabilt. Vi har de atomer, vi har i det periodiske system, og de stærkeste bindinger er kovalente (to atomer deles om elektronerne) mellem små atomer (kort bindingslængde). Der kan ikke dukke et nyt atom op - ikke i dette univers. Der kan heller ikke dukke en ny slags binding op.
Så kommer det med: Kan vi så lave tændstiklignende bropiller og papirtynde broer?
Læs også: Atomtynde materialer kan føre til helt ny elektronik
Nej. Selv ikke med grafen, hvis det var 100 gange stærkere. Tænk på en vippe i en swimmingpool. Hvis du trykker den frie ende ned, vil stresset i den anden ende (hvor den sidder fast) stige lineært med den kraft, du trykker med, indtil den maksimale stress (kraft pr. areal) for materialet er nået.
Et almindeligt materiale vil udvikle sprækker og flækker, men hvis hele vippen havde grafens superegenskaber, og modstandskraft mod at flække, er det først, når de enkelte kemiske bindingers grænse er nået, at det går galt.
Men selvom vippen ikke knækker som sådan, er det noget af et problem, hvis den bliver blød! Og det gør den ret hurtigt, hvis du gør den tyndere.
Kraften, du skal trykke ned med for at få den til at bøje f.eks. 10 cm, skalerer med tykkelsen af vippen i tredje potens, hvorimod kraften kun er proportional med stivheden, som ikke kan blive højere end ca. 1 TPa. (Og kan man forestille sig materialer med større stivhed? Nej, for diamant og grafen, der har denne stivhed, er det de kemiske bindinger selv, der sætter grænsen).
Læs også: Nano-legering gør stål ti gange stærkere
Hvis nu du forestiller dig, at du alligevel lykkes med at gøre materialet dobbelt så stift, f.eks. 2 TPa, og samtidig halvt så tyndt, får du en faktor 2 på grund af den større stivhed af materialet, mens stivheden af bjælken bliver otte gange mindre. Du ender altså med at gøre vippen fire gange så blød alt i alt.
Hvis man erstatter få tykke bropiller med en masse tynde, der har det samme totale tværsnit, går det galt, uanset hvor stærkt materialet er - det vil krølle sammen.
Så igen: Vi kan ikke lave materialer, der er stærkere - vi har stort set nået grænsen - og selvom vi kunne, ville vi ikke kunne lave bærende elementer meget tyndere.
Som en undtagelse er, når vi ophænger tunge ting i kabler eller tråde - her er det kun det samlede tværsnit, der betyder noget - dvs. som indkøbsnet. Her kan man gøre trådene tyndere svarende til øgningen af styrken - altså: dobbelt så stærkt materiale, og du kan halvere det samlede tværsnitsareal.
