Что делает материалы твердыми и прочными?

Для кристаллических материалов, таких как алмаз, это результат чрезвычайно стабильных связей между атомами, составляющими материал. Эти связи образуются только под огромным давлением, потому что силы межатомного отталкивания не позволяют атомам приблизиться достаточно близко, чтобы они были вынуждены расположиться в этой кристаллической структуре.

Сплавы металлов, такие как сталь, намного тверже, чем простые металлы, потому что они представляют собой смесь различных элементов, таких как железо, никель, хром и т. Д. В основном, когда металл состоит из одного и того же атома, они очень плотно прилегают друг к другу и скользят друг по другу. легко. Вот почему чистое золото такое мягкое и податливое.

С другой стороны, стальной сплав состоит из нескольких различных элементов. Атомы разного размера, смешанные в структуре связи, вызывают неравномерность атомной организации материала, что затрудняет скольжение и другие деформации.

Если материал трудно сломать, связи могут быть прочными. Если материал легкий и прочный, материал может иметь более прочную связь, но массовая плотность может быть меньше, в них можно ожидать большие пустоты. Твердость и прочность материалов зависят от их объема, кристаллической структуры и других факторов.

Spectrum Science, Deccan Herald, вторник, 13 мая 2014 г.

Графен — самый прочный и самый тонкий из известных материалов… Это не только самый твердый материал в мире, но и один из самых приятных на ощупь.

Толщиной всего в один атом , его называют чудо-материалом... Хотя этот материал был открыт десять лет назад, он начал привлекать внимание в 2010 году, когда два физика из Манчестерского университета были удостоены Нобелевской премии за свои эксперименты с ним. .

В 2012 году Американское химическое общество заявило, что было обнаружено, что графен в 200 раз прочнее стали и настолько тонкий, что одной его унцией можно покрыть 28 футбольных полей. .... В 2012 году Американское химическое общество заявило, что достижения в области грефена привели к созданию электроники с сенсорным экраном, которая «может сделать мобильные телефоны тонкими, как лист бумаги, и достаточно складными, чтобы поместиться в карман». .....

В параграфе указано, что материал может быть прочным при толщине всего в один атом (не очень громоздкий).

Если вы смотрите на элементы и простые неорганические соединения (давайте забудем о пластмассах), у вас есть два основных типа связей. Ионный, как кристалл соли. В составе чередуются натрий, хлор,$\text{Na}$,$\text{Cl}$,$\text{Na}$,$\text{Cl}, \dots,+-+-+-$во всех направлениях. Один немного отрицательный, а другой немного положительный (хлор — сильный окислитель — он крадет электроны у натрия). Если вы нажмете на кристалл соли с такой силой, что плоскость атомов сместится на$1/2$размер атомной решетки - на самом деле чуть меньше - вы вызываете$++$и$--$чтобы выровняться, и отталкивание электрического поля заставит кристалл расколоться на красивую чистую линию. Это электростатическая связь, о которой вы думали (хороший ответ).

Другая связь, популярная среди многих атомов, — это ковалентная связь. Идея состоит в том, что электроны делятся, чтобы заполнить орбитали неспаренными электронами или заполнить полные орбитали. Атомам это нравится, и мы можем сказать, насколько они хороши и стабильны — во всяком случае, большинство из них. Благородные газы (аргон, неон и т. д.) имеют полные орбитальные оболочки, и нет необходимости играть с другими. Связь носит другие названия, такие как «молекулярно-орбитальные связи». Это связь, которая объясняет, почему водород идет парами.$\text{H}_2$и$\text{O}_2$и$\text{H}_2\text{O}$и$\text{CO}_2$и т. д. Большинство соединений, не являющихся кристаллами, имеют ковалентные связи. Для интуитивного описания эта связь больше похожа на квантово-механическую связь, чем на электростатическую связь.

Вы спрашивали конкретно о стали, которая не является соединением. Сплавы представляют собой смеси и довольно сложны, и некоторые из них претерпевают удивительные изменения при циклическом изменении температуры. Как говорит @Rick Sanchez, сплавы представляют собой смесь материалов с разными свойствами. Сталь похожа на бетон с металлическими арматурными стержнями. Разные элементы заполняют разные пространства, например, гравий, песок и цемент в бетоне. Свойства возникают из-за того, как все эти части сцепляются друг с другом и сколько каждой из них имеется.