La pregunta se refiere no solo a los materiales actuales, sino también a los materiales que se ha teorizado que existen. Así que primero comenzaré con materiales cotidianos y cómo se comparan sus fortalezas.
El profesor Michael Ashby, de la Universidad de Cambridge, ha facilitado esa tarea compilando gráficos [1] que muestran cómo se clasifican los diversos materiales de ingeniería con respecto a las diferentes propiedades. Una de esas propiedades es la resistencia, definida por él como resistencia a la fluencia para materiales dúctiles o resistencia a la flexión para materiales frágiles. Como también otorga generosamente permiso para reproducir estas tramas con atribución, he incluido la tabla de fuerza a continuación:
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Leyendo de esta tabla se puede ver que el diamante exhibe la mayor resistencia, alrededor de 3 GPa. Ahora, esta es una resistencia a la flexión, pero para esta respuesta, la estoy tomando aproximadamente como equivalente a la resistencia a la tracción (en realidad es un poco más grande). Pero otra respuesta aquí señala que el grafeno tiene una resistencia a la tracción mucho más alta, alrededor de 130 GPa [2]. Entonces, ¿es ese el material más fuerte? Es probable que sea el material más fuerte jamás probado, por lo que probablemente tome el título del material más fuerte del mundo.
Sin embargo, la pregunta también permite materiales en el ámbito de lo teórico. Eso abre esta pregunta a materiales exóticos, algunos de los cuales probablemente ni siquiera se hayan soñado todavía. Así que evitaré esa trampa pero aún explotaré la inclinación teórica de la pregunta citando materiales que, aunque no se encuentran comúnmente en la naturaleza, en principio se pueden producir y usar.
Como antecedentes mencionaré que las dislocaciones son la razón por la cual los metales se deforman tan fácilmente. Las dislocaciones permiten el colado fragmentado de un cristal metálico, que consume mucha menos energía que si el metal se deformara por el cizallamiento de planos atómicos completos a la vez. He explicado esto con más detalle aquí: la respuesta de Felix Chen a ¿Por qué los materiales frágiles tienen la máxima resistencia a la tracción y no producen resistencia? En relación con esta respuesta, el punto es que si se eliminaran todas las dislocaciones de un metal, su resistencia a la tracción aumentaría en órdenes de magnitud. Como he mencionado en otra respuesta (la respuesta de Felix Chen a ¿Hay un límite sobre la resistencia de un material?), Esta resistencia teóricamente alcanzable es del orden de G / 2 π , donde G es el módulo de corte. Lo que esto significa es que si creamos materiales sin dislocaciones, obtenemos algunas cosas realmente irrompibles.
Entonces, ¿qué tan fuerte? Para ilustrar, el valor de G / 2 π es 19 GPa para el cobre. En el gráfico de Ashby anterior, las resistencias de las aleaciones de cobre, que contendrán dislocaciones, son alrededor de varios cientos de MPa, que es de uno a dos órdenes de magnitud inferiores a la cifra de 19 GPa para el cobre sin dislocaciones. Ahora, el 19 GPa es una predicción teórica, pero los bigotes de cobre con una densidad de dislocación extremadamente baja se han cultivado y probado mecánicamente con números de resistencia cercanos al valor predicho. Esto garantiza que la resistencia G / 2 π es real y alcanzable si lleva mucho tiempo y es costosa.
En consecuencia, a 130 GPa, el grafeno es definitivamente bastante fuerte. Pero el número G / 2 π para SiC es 132 GPa y para carbono 156 GPa [3]. Por lo tanto, si se fabrica para estar libre de dislocaciones, tanto el carburo de silicio como el carbono (probablemente su forma cristalina elemental versus el grafeno alotrópico) rivalizan e incluso potencialmente destronan al grafeno como el material más fuerte del mundo.
Notas al pie
[1] Selección de materiales en diseño mecánico
[2] Propiedades mecánicas de grafeno y nanocompuestos a base de grafeno.
[3] Mecánica de deformación y fractura de materiales de ingeniería, 5ª edición
