Die 10 stärksten der Menschheit bekannten Materialien

Diese Rangliste basiert auf der Zugfestigkeit (GPa), sofern nicht anders angegeben. Einige Materialien (z. B. Aerogel) sind aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften, wie z. B. der extrem geringen Dichte oder der Wärmebeständigkeit, aufgeführt.

Hinweis: "Am stärksten" bezieht sich hier auf die Zugfestigkeit (Widerstand gegen Auseinanderziehen). Bei der Härte (Kratzfestigkeit) bleibt Diamant das härteste natürliche Material (Mohs 10).

1. Graphen (130 GPa)

Graphen ist das stärkste bekannte Material mit unübertroffener Zugfestigkeit aufgrund seines einatomig dicken Kohlenstoffgitters.

Graphen ist ein wabenförmiger zweidimensionaler Film, der aus Kohlenstoffatomen mit sp2-Hybridisierung besteht. Es handelt sich um eine von Graphit getrennte einlagige Schichtstruktur und ist außerdem das dünnste bekannte Material. Die Zugfestigkeit und der Elastizitätsmodul von Graphen betragen 130 GPa bzw. 1,1 TPa, und seine Festigkeit ist 100-mal höher als die von herkömmlichem Stahl. Säcke aus Graphen, die etwa 2 Tonnen Gewicht tragen können, sind das bei weitem stärkste bekannte Material.

2. Lonsdaleit (121~130 GPa)

Lonsdaleit, eine seltene hexagonale Form von Diamant, ist theoretisch stärker als herkömmlicher Diamant.

Lonsdaleit wurde erstmals vom amerikanischen Geologen Lonsdale in einem Krater entdeckt und als hexagonaler Meteoritendiamant definiert. Wie Diamanten bestehen sie aus Kohlenstoffatomen, aber ihre Kohlenstoffatome sind in unterschiedlichen Formen angeordnet. Die Ergebnisse der Simulation zeigen, dass Lonsdaleit um 58 % druckbeständiger ist als der Diamant.

3. Diamant (90~100 GPa)

Dank seiner kompakten tetraedrischen Kristallstruktur weist Diamant eine außergewöhnliche Zugfestigkeit und Härte auf.

Diamant ist die härteste natürlich vorkommende Substanz auf der Erde und ist ein Allotrop des Kohlenstoffs. Die Härte von Diamant ist die höchste Stufe der Mohshärte - Grad 10. Seine Mikrohärte beträgt 10000 kg/mm2, was 1.000 Mal höher ist als bei Quarz und 150 Mal höher als bei Korund.

4. Kohlenstoff-Nanoröhrchen (63 GPa)

Kohlenstoff-Nanoröhren vereinen extreme Festigkeit und geringes Gewicht, was sie zu idealen strukturellen Nanomaterialien macht.

Kohlenstoff-Nanoröhren (Carbon Nanotubes, CNT) sind eindimensionale Quantenmaterialien, die aus hexagonalen, zu koaxialen Röhren geformten Kohlenstoffatomen bestehen. Je nach Anzahl der Graphenschichten können sie als einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren (SWCNTs) oder mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren (MWCNTs) klassifiziert werden. Kohlenstoff-Nanoröhren haben hervorragende mechanische Eigenschaften mit einer Zugfestigkeit von 63 GPa. Ihr Elastizitätsmodul kann bis zu 1 TPa erreichen, was dem von Diamant entspricht und etwa fünfmal so hoch ist wie das von Stahl.

5. Bornitrid-Nanoröhrchen (33 GPa)

Wie Kohlenstoff kann auch Bornitrid einatomige Schichten bilden, die sich zu Nanoröhren aufrollen lassen. Bornitrid-Nanoröhren (BNNT) ähneln strukturell den Kohlenstoff-Nanoröhren und bieten eine vergleichbare Zugfestigkeit mit Werten um 33 GPa. Ihr wirklicher Vorteil liegt in der außergewöhnlichen thermischen und chemischen Stabilität sowie in der starken Grenzflächenbindung mit Polymeren - BNNTs weisen im Vergleich zu Kohlenstoffnanoröhren eine etwa 30 % höhere Grenzflächenfestigkeit mit PMMA und eine etwa 20 % höhere mit Epoxidharz auf.

Bornitrid-Nanoröhrchen haben optische Eigenschaften, hervorragende mechanische und thermische Leitfähigkeitseigenschaften, halten hohen Temperaturen stand und absorbieren Neutronenstrahlung, was sie zu wirksamen Additiven für die mechanische oder thermische Verbesserung von Polymer-, Keramik- und Metallverbundwerkstoffen macht. Weitere Anwendungen von Bornitrid-Nanoröhren sind Schutzschilde, elektrische Isolatoren und Sensoren.

6. UHMWPE-Faser (30,84 GPa)

Polyethylenfasern mit ultrahohem Molekulargewicht werden aufgrund ihres guten Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht für Rüstungen und medizinische Geräte verwendet.

UHMWPE ist eine Faser aus Polyethylen mit einem relativen Molekulargewicht von 1 Million bis 5 Millionen, die derzeit zu den stärksten und leichtesten Fasern der Welt gehört. Sie ist 15-mal stärker als Stahldraht, aber sehr leicht, und höchstens 40 % leichter als Materialien wie Aramid.

7. Metallisches Glas (1,61 GPa)

Metallisches Glas zeichnet sich durch hohe Festigkeit und Elastizität aus, die auf seine ungeordnete atomare Struktur zurückzuführen sind.

Metallisches Glas wird auch als amorphes Metall bezeichnet, bei dem es sich in der Regel um eine Legierung handelt, die eine amorphe Struktur und eine Glasstruktur aufweist. Aufgrund dieser Doppelstruktur hat es viele Eigenschaften, die denen von kristallinem Metall und Glas überlegen sind, wie z. B. eine gute elektrische Leitfähigkeit, hohe Festigkeit, hohe Elastizität, höhere Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Metallisches Glas ist fester als Stahl und härter als harter Werkzeugstahl.

8. Darwins Rindenspinnenseide (1,6 GPa)

Diese Spinnenseide ist eines der widerstandsfähigsten biologischen Materialien und übertrifft die meisten Kunstfasern.

Auf Madagaskar wurde eine neue Spinnenart, die Darwinsche Rindenspinne, entdeckt, die das größte und stabilste Netz der Welt spinnt. Mit einer Breite von 25 Metern ist das Netz der Spinne das stärkste biologische Material, das je untersucht wurde, und 10 Mal stärker als Kevlar derselben Größe.

9. Siliziumkarbid (0,3 GPa)

Siliziumkarbid ist eine dauerhafte Keramik, die für ihre Wärmebeständigkeit und mäßige Zugfestigkeit bekannt ist.

Siliziumkarbid ist ein natürliches Mineral oder wird aus Quarzsand, Petrolkoks (oder Steinkohlenkoks), Holzspänen und anderen Rohstoffen durch Schmelzen bei hoher Temperatur in einem Widerstandsofen hergestellt. Siliciumcarbid ist mit einer Mohshärte von 9,5 so hart wie nur der härteste Diamant der Welt. Darüber hinaus hat Siliciumcarbid eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit. Es ist eine Art Halbleiter und kann bei hohen Temperaturen oxidationsbeständig sein.

10. Aerogel (0,02 GPa)

Aerogel ist ein ultraleichtes Material mit minimaler Zugfestigkeit, das jedoch für die Wärmedämmung sehr wertvoll ist.

Aerogel ist eine Form von festem Material, das die geringste Dichte der Welt aufweist. Aufgrund ihrer extrem geringen Dichte weisen Aerogele ein bemerkenswertes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht auf und können Druckkräften widerstehen, die das Tausendfache ihrer Masse betragen. Außerdem bleiben sie bis zu 1200 °C thermisch stabil.

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