Czy ten sam pierwiastek może być tak twardy by rysować szkło, ale też tak miękki by się ścierać na papierze?

Oczywiście, przecież i diament ? najtwardszy ze znanych minerałów i grafit ? służący do rysowania są tym samym pierwiastkiem ? węglem. Co sprawia, że mają tak różne właściwości? Odpowiedzią jest ich struktura przestrzenna.

Grafit stanowi najbardziej stabilną strukturę węgla. Jego sieć zbudowana jest z płaskich warstw ułożonych jedna nad drugą. Każda warstwa przypomina strukturę plastra miodu. A tomy węgla są ułożone w regularne sześciokąty o wspólnych bokach. W obrębie każdej warstwy a tomy są połączone silnymi wiązaniami a tomowymi, na tomiast między warstwami występują tylko słabe oddziaływania (tzw. oddziaływania van der Waalsa), dlatego kryształy grafitu są miękkie i łatwo dają się kruszyć. Tę właściwość wykorzystujemy w ołówkach, ale nie jest to jedyne zas tosowanie grafitu. Materiał ten jest również doskonałym przewodnikiem, jest odporny na wysokie temperatury oraz ma właściwości smarne, dlatego znalazł zas tosowanie m.in. do produkcji elektrod, naczyń ognioodpornych, uszczelnień oraz smarów, farb, czy past polerskich.

Diament zbudowany jest z a tomów węgla tworzących regularną sieć przestrzenną, o kształcie czworościanu foremnego (tetraedru), w której każdy a tom węgla łączy się z czterema innymi a tomami węgla. Równomiernie rozłożone, krótkie, a zarazem mocne wiązania kowalencyjne wpływają na bardzo dużą twardość tej odmiany węgla. Choć z racji niezwykłej urody diamenty kojarzą się przede wszystkim z jubilerstwem, to jednak w głównej mierze służą swoimi właściwościami w zas tosowaniach przemysłowych do produkcji materiałów ściernych i tnących.

 

 

Na graficie i diamencie nie kończą się jednak odmiany węgla. Przełom wieków XX i XXI przyniósł odkrycie nowych odmian alotropowych ? fulerenów i grafenu. Ich niezwykłe właściwości otwierają jeszcze szersze perspektywy przed węglem. I znów decydującą rolę odgrywa ich charakterystyczna struktura przestrzenna.

Fulereny są to cząsteczki zbudowane z parzystej liczby: od 28 do około 1500 a tomów węgla, które tworzą zamkniętą bryłę. Najbardziej popularny fuleren wyglądem przypomina piłkę futbolową i jest zbudowany z 60 a tomów, które tworzą 12 pierścieni pięcioa tomowych i 20 pierścieni sześcioa tomowych. Podobne struktury architek toniczne konstruował niegdyś R. Buckminster Fuller i właśnie od nazwiska tego amerykańskiego architekta, matematyka i filozofa zastała zapożyczona nazwa tej odmiany węgla. Poza tym, do grupy fulerenów zalicza się również inne cząstki zbudowane z a tomów węgla, w tym np. te przyjmujące postać wielowarstwową (nanocebulki) lub walcowatą (nanorurki). Fulereny odznaczają się właściwościami półprzewodnikowymi i nadprzewodnikowymi. W rezultacie znajdują szerokie zas tosowanie w przemyśle elektronicznym, optycznym, biomedycznym oraz w nanotechnologii. Na szczególną uwagę zasługuje ich potencjał antyoksydacyjny oraz farmakologiczny, gdzie dzięki swojej ustalonej strukturze i biokompatybilności pełnią np. funkcję nośników leków.

Współczesnym kamieniem filozoficznym wydaje się grafen, czyli warstwa grafitu o grubości jednego a tomu. Niezwykły potencjał tej odmiany węgla wynika z faktu, że materiał ten równocześnie jest najtwardszym (twardszym od diamentu), jak i najbardziej rozciągliwym materiałem węglowym. Wykazuje ponad to dziesięciokrotnie lepsze przewodzenie ciepła niż srebro i podobnie jak grafit, jest również bardzo dobrym przewodnikiem prądu elektrycznego. Przyłączenie do grafenu a tomów wodoru skutkuje powstaniem nowego materiału, zwanego grafanem, który z kolei stanowi doskonały izola tor. W porównaniu ze stalą konstrukcyjną materiał ten ma od pięciu do sześciu razy mniejszą gęs tość, jest dwukrotnie twardszy, 13?krotnie bardziej elastyczny i 100?krotnie bardziej wytrzymały na rozciąganie. Obecnie jest również najdroższym materiałem, ale ze względu na swoje doskonałe właściwości z pewnością w przyszłości będziemy obserwować, jak zas tosowania grafenu będą s topniowo wypierać te, w których s tosujemy obecnie krzem.

 

Przygo tował: Adam Cygan
Zakład Gospodarki o Obiegu Zamkniętym

W publikacji korzystano z materiałów i grafik ze stron www.zpe.gov.pl oraz www.pcc.eu