Αλλοτρόπια άνθρακα

Ο άνθρακας είναι το 6ο στοιχείο του περιοδικού πίνακα με ατομικό αριθμό 6 και αντιπροσωπεύεται από το σύμβολο «C». Ο άνθρακας είναι το πιο άφθονο υλικό στη γη και το 4ο πιο κοινό στοιχείο στο σύμπαν. Όλοι οι ζωντανοί οργανισμοί αποτελούνται από αλλότροπα άνθρακα. Κατά μάζα, το δεύτερο πιο άφθονο στοιχείο στο ανθρώπινο σώμα είναι ο άνθρακας. Τα ορυκτά καύσιμα, τα πολυμερή και τα περισσότερα φάρμακα περιέχουν ενώσεις άνθρακα.

Επισκόπηση των αλλοτροπών άνθρακα

Ένα στοιχείο που βρίσκεται σε δύο ή περισσότερες μορφές είναι γνωστό ως αλλοτροπία και αυτές οι μορφές είναι γνωστές ως αλλοτροπίες. Παρόλο που οι φυσικές τους ιδιότητες είναι διαφορετικές, έχουν παρόμοιες χημικές ιδιότητες.

Το σθένος του άνθρακα και η ικανότητά του να συρρικνώνεται συμβάλλουν στην ύπαρξη πολλαπλών αριθμών αλλοτροπικών μορφών.

Τα αλλότροπα του άνθρακα μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε δύο:

• Κρυσταλλικά αλλότροπα άνθρακα:

1. 1. Διαμάντι
   2. Γραφίτης
   3. Φουλερένια
   4. Γραφένιο
   5. Lonsdaleite
   6. Καρβοφένιο
   7. Διαμάνε

•  
• Άμορφα αλλότροπα άνθρακα:

1. Άνθρακας
2. Οπτάνθρακα
3. Νανοσωλήνα άνθρακα
4. Νανομορφή άνθρακα
5. Νανθρακικό νανομπουμπούκι
6. Glassy Carbon

Ας συζητήσουμε μερικά από αυτά ένα προς ένα.

Buckminsterfullerenes

• Τα buckminsterfullerenes ανακαλύφθηκαν για πρώτη φορά το 1985 από επιστήμονες και ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Sussex και το Πανεπιστήμιο Rice.

• Τα φουλερένια είναι θετικά καμπυλωμένα μόρια, με άτομα C2n όπου n≥30. Τα φουλερένια μπορούν να έχουν διαφορετικά μεγέθη κατασκευασμένα μόνο από άνθρακα, όπως κοίλες σφαίρες, σωλήνες ή ελλειψοειδή.

• Η συμπεριφορά και η δομή των φουλλερενίων αλλάζουν με τη θερμοκρασία και την πίεση.
• Τα φουλερένια είναι διαλυτά σε οργανικό διαλύτη.
• Το φουλερένιο παρουσιάζει σιδηρομαγνητισμό.
• Τα φουλερένια χρησιμοποιούνται για την κατασκευή αγωγών, λιπαντικών, καλλυντικών κ.λπ.
• Τα φουλερένια μπορούν να απορροφήσουν αέρια.

Γραφένιο

• Το γραφένιο είναι ένα μόνο στρώμα της δομής του γραφίτη.
• Το γραφένιο έχει εξαιρετικές θερμικές και ηλεκτρικές ιδιότητες.
• Το γραφένιο μπορεί να παραχθεί με επιταξία σε αγώγιμο υπόστρωμα. Μπορεί επίσης να επιτευχθεί με επαναλαμβανόμενο ξεφλούδισμα από την επιφάνεια του γραφίτη.
• Το γραφένιο μπορεί να αντικαταστήσει το πυρίτιο. Το γραφένιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε υψηλής απόδοσης και προηγμένες ηλεκτρονικές συσκευές.

Lonsdaleite

• Lonsdaleite ονομάζεται επίσης εξαγωνικό διαμάντι.
• Ο Lonsdaleite σχηματίζεται από γραφίτη σε μετεωρίτες που πέφτουν στη γη.
• Ο γραφίτης που υπάρχει στους μετεωρίτες μετατρέπεται σε λονσδαλεΐτη λόγω της τεράστιας θερμότητας και πίεσης από την πρόσκρουση των μετεωριτών. Ταυτόχρονα διατηρείται το εξαγωνικό κρυσταλλικό του πλέγμα.
• Ο Lonsdaleite μπορεί να κατασκευαστεί στο εργαστήριο και γίνεται με συμπίεση γραφίτη σε στατική πρέσα.

Καρβοφένιο

• Το καρβοφένιο είναι ένα ομοιοπολικό οργανικό πλαίσιο δύο διαστάσεων.
• 4-6 καρβοφένιο μπορεί να ληφθεί από 1-3-5 τριυδροξυβενζόλιο.
• Το Carbophen περιέχει δακτυλίους 4-C και 6-C σε αναλογία 1:1.
• Οι γωνίες μεταξύ των τριών αντίστοιχων σ-δεσμών είναι 90°, 120° και 150°.

 Diamane

• Το Diamane είναι η δισδιάστατη μορφή ενός διαμαντιού.
• Το διαμάνιο σχηματίζεται σε υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις. Χωρίς πίεση, το υλικό επιστρέφει στο γραφένιο.
• Η δεύτερη μέθοδος για την παρασκευή διαμανίου είναι η προσθήκη ατόμων υδρογόνου στο υλικό. Αλλά οι δεσμοί υδρογόνου είναι μικροί και αδύναμοι. Έτσι, χρησιμοποιούμε φθόριο για να ενισχύσουμε τους δεσμούς, γνωστούς ως f-διαμάνι.

Άνθρακας

• Ο άνθρακας και η αιθάλη ονομάζονται άμορφος άνθρακας.

• Ο άμορφος άνθρακας δεν έχει κρυσταλλική δομή.

• Ο άμορφος άνθρακας έχει τάξη μικρής εμβέλειας.

• Ο άμορφος άνθρακας περιέχει μικροσκοπικούς κρυστάλλους παρόμοιους με τον γραφίτη ή το διαμάντι.

• Τα κάρβουνα είναι προϊόν πυρόλυσης. Η πυρόλυση είναι η αποσύνθεση μιας ουσίας σε κάποιο χρονικό διάστημα από τη δράση της θερμότητας.

Νανοσωλήνες άνθρακα

• Οι νανοσωλήνες άνθρακα μπορούν επίσης να ονομαστούν buckytubes.

• Οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι κυλινδρικά μόρια, χρήσιμα σε πολλές εφαρμογές, όπως η νανοηλεκτρονική, οι εφαρμογές υλικών, η οπτική κ.λπ.

• Οι νανοσωλήνες άνθρακα έχουν μοναδικές ηλεκτρικές ιδιότητες, καλούς αγωγούς θερμότητας και εξαιρετική αντοχή.

• Ο νανοσωλήνας έχει διάμετρο μερικά νανόμετρα αλλά έχει μήκος αρκετά εκατοστά.

• Υπάρχουν δύο είδη νανοσωλήνων, το πρώτο είναι νανοσωλήνες μονού τοιχώματος και το δεύτερο νανοσωλήνες πολλαπλών τοιχωμάτων.

Νανόβλακα άνθρακα

• Στα νανομπουμπούκια άνθρακα, "μπουμπούκια" που μοιάζουν με φουλλερένιο συνδέονται με τον ομοιοπολικό δεσμό στα εξωτερικά τοιχώματα των νανοσωλήνων άνθρακα.
• Τα νανομπουμπούκια άνθρακα έχουν διάφορες ιδιότητες νανοσωλήνων άνθρακα και φουλερενίων.
• Οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι εξαιρετικοί εκπομποί πεδίου.

Νανομορφή άνθρακα

• Ο Andrei V. Rode ανακάλυψε νανοαφρό άνθρακα το 1997.
• Ο νανοαφρός άνθρακα περιέχει ένα σύμπλεγμα ατόμων άνθρακα χαμηλής πυκνότητας, που κρέμονται μαζί σε έναν χαλαρό τρισδιάστατο ιστό.
• Κάθε σύμπλεγμα μπορεί να έχει πλάτος περίπου 6 νανόμετρα. Μια συλλογή περιέχει περίπου 4000 άτομα συνδεδεμένα σε φύλλα που μοιάζουν με γραφίτη. Έχει αρνητική καμπυλότητα λόγω των επτάγωνων μεταξύ των κανονικών εξαγωνικών σχεδίων.
• Οι συστάδες νανοαφρού άνθρακα είναι το αντίθετο από τα buckminsterfullerenes. Στα buckminsterfullerenes, υπάρχει θετική καμπυλότητα λόγω της εισαγωγής πενταγώνων.
• Ο νανοαφρός άνθρακα έχει δομή μεγάλης κλίμακας και είναι κακός αγωγός του ηλεκτρισμού.

Γυάλινος άνθρακας

• Ο υαλώδης άνθρακας είναι επίσης γνωστός ως υαλώδης άνθρακας.
• Ο γυάλινος άνθρακας δεν γραφιτίζει.
• Ο γυάλινος άνθρακας χρησιμοποιείται ως κατάλληλο υλικό ηλεκτροδίων, ως συστατικό προσθετικών συσκευών και για χωνευτήρια υψηλής θερμοκρασίας.
• Ο Bernard Redfern κατασκεύαζε υαλώδη άνθρακα τη δεκαετία του 1950.
• Η παραγωγή υαλώδους άνθρακα απαιτεί την επεξεργασία των οργανικών προδρόμων σε θερμοκρασία περίπου 3000 °C.
• Ο υαλώδης άνθρακας είναι αδιαπέρατος από αέρια.
• Ο γυάλινος άνθρακας είναι χημικά αδρανής.
• Ο υαλώδης άνθρακας έδειξε ότι οι ρυθμοί οξείδωσης είναι χαμηλότεροι από οποιοδήποτε άλλο αλλότροπο άνθρακα για ορισμένους.
• Ο γυάλινος άνθρακας είναι ανθεκτικός στα οξέα. Ο συνηθισμένος γραφίτης μετατρέπεται σε σκόνη, ενώ ο υαλώδης άνθρακας παραμένει ανεπηρέαστος εάν υποβληθεί σε επεξεργασία με πυκνό νιτρικό οξύ και θειικό οξύ.

Συμπέρασμα

Τους τελευταίους αιώνες, ο άνθρακας έχει χρησιμοποιηθεί ως πηγή ενέργειας. Ακόμη και σε αυτήν την εποχή της τεχνολογίας, ο άνθρακας είναι σημαντικός σε κάθε τομέα της επιστήμης και της τεχνολογίας. Χωρίς το στοιχείο, η ζωή μπορεί να μην είχε ευδοκιμήσει σε αυτόν τον πλανήτη. Επομένως, είναι επιτακτική ανάγκη για εμάς, τους ανθρώπους, να γνωρίζουμε τις διάφορες μορφές του.