Какой материал можно назвать самым прочным на Земле? На первый взгляд ответ кажется очевидным: алмаз. Но если поставить рядом графен или сталь, или, скажем, некоторые другие малоизученные материалы, выясняется, что однозначного победителя здесь нет.

Причина в том, что ученые вообще не измеряют «прочность» одним универсальным показателем. Материал может великолепно сопротивляться растяжению, но раскалываться от удара. Другой способен выдерживать огромные нагрузки, но легко царапаться. Поэтому настоящая битва самых прочных материалов происходит сразу по нескольким параметрам — твердости, прочности на растяжение, жесткости и способности противостоять распространению трещин.

И именно здесь начинаются самые интересные различия.

Графен: невероятно прочный материал, который почти невесом

Графен представляет собой слой атомов углерода толщиной всего в один атом. Они соединены в характерную шестиугольную решетку, благодаря чему материал получил чрезвычайно высокую прочность на растяжение — порядка 130 гигапаскалей.

На практике это означает удивительное сочетание: графен очень прочный и при этом практически невесомый. Его главное преимущество — не только абсолютная прочность, но и исключительно высокое отношение прочности к массе.

Именно поэтому графен рассматривают как перспективную основу для новых композитов. Его можно добавлять в полимеры, металлы и волокна, чтобы сделать их прочнее, не увеличивая значительно вес. Такие свойства особенно интересны для аэрокосмической отрасли, электроники, транспорта и спортивного оборудования.

Но есть проблема, которая пока не позволяет графену заменить привычные конструкционные материалы. Получить большие листы графена без дефектов сложно и дорого. А материал, который великолепно работает в лабораторных условиях, не обязательно так же хорошо ведет себя в огромном мосту или корпусе автомобиля.

Сталь проигрывает графену — и все равно остается незаменимой

Если смотреть только на некоторые показатели прочности, сталь действительно проигрывает графену. Однако строительство городов показывает, почему одного рекорда недостаточно.

Сталь умеет деформироваться под нагрузкой, поглощать энергию удара и выдерживать повреждения, не разрушаясь мгновенно. Для моста, здания или автомобиля это зачастую намного важнее экстремальной прочности отдельной атомной структуры.

Кроме того, сталь сравнительно дешева, хорошо изучена, производится в колоссальных объемах и может перерабатываться. Инженеры умеют создавать сплавы с нужным сочетанием прочности, пластичности, устойчивости к коррозии и усталости.

Поэтому сталь — хороший пример того, почему материал с менее впечатляющими лабораторными характеристиками может оказаться гораздо полезнее в реальном мире.

Алмаз: чемпион по твердости,  и все равно не «сверхматериал»

Алмаз действительно остается эталоном твердости. Его кристаллическая структура настолько устойчива к царапинам и износу, что материал используется там, где обычные инструменты быстро приходят в негодность.

Отсюда режущие и буровые инструменты, абразивы и оборудование для обработки твердых материалов.

Но твердость и прочность — не одно и то же. Алмаз способен сопротивляться поверхностному износу, однако его кристаллическая структура содержит плоскости, по которым при определенном воздействии могут распространяться трещины. Поэтому очень твердый материал вовсе не обязательно является самым устойчивым к удару.

Именно это различие и породило целый поиск новых «сверхматериалов».

Недоказанный убийца «алмаза»

Одним из самых интересных кандидатов в чемпионы на прочность считается вюрцитный нитрид бора — w-BN. Это синтетический материал с кристаллической структурой, которую можно получить при экстремальных давлениях и температурах.

Теоретические расчеты сделали его особенно знаменитым: некоторые исследования предполагали, что вюрцитный нитрид бора способен обладать механическими свойствами, превосходящими алмаз. Поэтому его нередко включают в списки потенциально самых твердых материалов в мире.

Но здесь важно отделить теорию от эксперимента.

Когда исследователям удалось получить чистый поликристаллический вюрцитный нитрид бора и непосредственно измерить его свойства, средняя твердость составила около 46 гигапаскалей — то есть ниже показателей алмаза. При этом материал продемонстрировал очень высокую термическую стабильность и остается перспективным для обработки материалов, электроники и других высокотехнологичных задач.

Таким образом, вюрцитный нитрид бора — не доказанный «убийца алмаза», а скорее пример того, насколько далеко современные технологии пытаются продвинуться за пределы природных материалов.

Космический «конкурент»?

Еще более необычная история связана с лонсдейлитом — гексагональной формой углерода, которую традиционно называют гексагональным алмазом.

Его обнаруживали в метеоритах и связывали с экстремальным давлением, возникающим во время космических столкновений. В частности, лонсдейлит находили в метеоритах, связанных с ударными процессами.

Почему он так интересует ученых? В отличие от обычного алмаза, где атомные слои углерода имеют кубическую схему расположения, лонсдейлит должен иметь гексагональную структуру. Теоретические расчеты показывали, что такая конфигурация может сделать материал еще более твердым и жестким, чем обычный алмаз. Некоторые модели предсказывали заметное превосходство над ним.

Но с лонсдейлитом есть существенная проблема. В 2014 году исследователи показали, что образцы, которые ранее принимали за отдельную фазу лонсдейлита, могут на самом деле представлять собой обычный кубический алмаз с большим количеством дефектов — двойников и нарушений упаковки атомных слоев. Поэтому существование лонсдейлита как самостоятельного чистого материала долгое время оставалось под вопросом.

При этом исследования продолжаются. Эксперименты с ударным сжатием графита действительно фиксировали образование лонсдейлита при чрезвычайно высоких давлениях, а в 2026 году появились новые сообщения о получении объемного гексагонального алмаза. То есть история лонсдейлита еще далека от окончательной точки.

В итоге универсального «самого прочного» материала не существует: графен выигрывает по прочности на растяжение, алмаз — по твердости, сталь — по надежности, а вюрцитный нитрид бора и лонсдейлит остаются перспективными кандидатами на новые рекорды. Будущее материаловедения, вероятно, связано не с одним абсолютным чемпионом, а с созданием материалов под конкретные задачи.

Подготовлено по материалам Science Times и Pursuit