Węgiel wchodzi w skład wielu nieorganicznych i organicznych związków chemicznych. Związki zawierające węgiel są podstawą życia na Ziemi, a cykl węglowo‑azotowo‑tlenowy dostarcza część energii wytwarzanej przez Słońce i inne gwiazdy. Węgiel występuje naturalnie jako antracyt (rodzaj węgla), grafitgrafit grafitdiamentdiament diament. Historycznie, bardziej dostępna była sadza bądź węgiel drzewny. Ostatecznie, te różne materiały zostały rozpoznane jako formy tego samego elementu. Grafit, diament i fulereny są krystalicznymi formami alotropowymialotropiaalotropowymi węgla. Alotropia to zjawisko dotyczące pierwiastków chemicznych i jest dość powszechne w ich świecie. Pojęcie to odnosi się do występowania tego samego pierwiastka w kilku odmianach, różniących się strukturą krystaliczną czy liczbą atomów w cząsteczkach. Odmiany alotropowe różnią się między sobą budową, a co za tym idzie – właściwościami fizycznymi i niejednokrotnie aktywnością chemiczną.

Diament – minerał przyciągający blaskiem

Ciekawostka
R8jlomsQKjRODAntoine Lavoisier – francuski chemik i fizyk, jako pierwszy spalił diament pod szklanym kloszem, używając promieni słonecznych skupionych soczewką. w ten sposób dowiódł, że diament to czysty węgiel.
Antoine Lavoisier – francuski chemik i fizyk, jako pierwszy spalił diament pod szklanym kloszem, używając promieni słonecznych skupionych soczewką. w ten sposób dowiódł, że diament to czysty węgiel.
Źródło: dostępny w internecie: nl.wikipedia.org, domena publiczna.

Diament jest najtwardszą substancją znaną człowiekowi (w dziesięciostopniowej skali Mohsa twardość diamentu wynosi 10). Jego każdy atom połączony jest z czterema innymi atomami w postaci czworościennej. Ta podstawowa jednostka powtarza się i rozciąga we wszystkich kierunkach, tworząc siatkę oktaedryczną. Stanowi to krystaliczną strukturę diamentu, przedstawioną na animacji poniżej. Dodatkowo, wiązania między atomami są bardzo silnymi wiązaniami kowalencyjnymi, co nadaje sztywność i twardość kryształowi diamentu.

R1OJdx8zCbCTA
Struktura diamentu
Źródło: dostępny w internecie: commons.wikimedia.org, domena publiczna.

Dzięki swojej twardości diamenty są stosowane:

  • w przemyśle do cięcia, wiercenia i szlifowania;

  • do produkcji półprzewodników;

  • jako drogocenne klejnoty w najdroższej biżuterii.

Czym jest brylant? Czy to nadal diament?

Diamenty to kamienie szlachetne w stanie surowym. Aby mogły zostać wykorzystane w jubilerstwie, muszą zostać oszlifowane. Podczas tego procesu powstaje kamień, który jest gotowy do umieszczenia w biżuterii ze względu na swój regularny kształt i wyjątkowy blask. Nazywamy go wówczas brylantem. Poddany obróbce jubilerskiej, diament silnie załamuje światło oraz mocno je rozprasza, co można zauważyć na zdjęciu poniżej.

RiRlva0Sd3VFy
Oszlifowany diament rozpraszający światło
Źródło: dostępny w internecie: pixabay.com, domena publiczna.

Na cenę tych kamieni wpływa karat (masa kamienia), kolor (najcenniejsze są bezbarwne), klarowność (przejrzystość) oraz czystość (brak skaz i ciał obcych). Ważny element przy wycenie brylantów to również szlif. Każdy brylant jest diamentem, ale nie każdy diament staje się brylantem, ponieważ nie każdy zostaje oszlifowany.

RfT4rTtz0xAGyW Genewie na aukcji pod szyldem Christie's został sprzedany za 50 mln dolarów największy na świecie różowy diament Pink Legacy, którego masa wynosi 18,96 karata. To rekordowa suma za diament w tym kolorze.
W Genewie na aukcji pod szyldem Christie's został sprzedany za 50 mln dolarów największy na świecie różowy diament Pink Legacy, którego masa wynosi 18,96 karata. To rekordowa suma za diament w tym kolorze.
Źródło: dostępny w internecie: www.pixabay.com, domena publiczna.

Czy jest możliwe otrzymanie diamentów w laboratorium?

Diament syntetyczny jest diamentem produkowanym w kontrolowanym procesie, w przeciwieństwie do diamentu naturalnego, wytworzonego w procesach geologicznych. Syntetyki produkowane są przy zastosowaniu tzw. metody wysokociśnieniowo‑wysokotemperaturowej. Pod względem najważniejszych cech przypomina diament naturalny. Diamenty syntetyczne mogą być wykorzystywane w jubilerstwie, jednak ich wartość stanowi zaledwie 1/10 naturalnego diamentu. Na początku firmy produkujące syntetyki miały dostarczać je wyłącznie do przemysłu, jednak teraz trafiają również na rynek jubilerski.

RN9Fqr3nGey8P
Polikrystaliczna warstwa diamentowa otrzymana metodą HF-CVD
Źródło: Instytut Fizyki Uniwersytet Kazimierza Wielkiego, licencja: CC BY-SA 4.0.

Grafit - co ma wspólnego z plastrem miodu?

Grafit jest szarawo‑czarną, błyszczącą i miękką krystaliczną formą węgla. Struktura grafitu jest zbudowana z dwuwymiarowej jednostki heksagonalnej, w której każdy atom węgla jest połączony z trzema innymi atomami węgla wiązaniami kowalencyjnymi w tej samej warstwie. Każda warstwa swoim wyglądem przypomina plaster miodu. Są one ułożone równolegle jedna nad drugą i utrzymywane przez słabe siły van der Waalsasiły van der Waalsa / oddziaływania van der Waalsasiły van der Waalsa. Dlatego grafit jest miękkim, śliskim ciałem stałym, które pozostawia czarny ślad na papierze. Poruszające się elektrony w jego strukturze sprawiają, że jest dobrym przewodnikiem ciepła i prądu elektrycznego.

R14G2n4G24cmu
Plaster miodu
Źródło: dostępny w internecie: pixabay.com, domena publiczna.
RFfstqU6ywg55
Struktura grafitu
Źródło: Nisenet, dostępny w internecie: www.wikipedia.pl, licencja: CC BY-NC-SA 3.0.
Ciekawostka

Kompozyty grafitowe stały się niezastąpione w konstrukcji nadwozi bolidów Formuły 1. Obecnie wykorzystuje się je w konstrukcji panelu głównego, skrzydeł oraz większości korpusu. Wytwarza się z nich elementy pracujące pod dużymi obciążeniami, w konstrukcjach lotniczych i kosmicznych.

R10qELALG2yXn
Źródło: dostępny w internecie: pixabay.com, domena publiczna.

Grafen

Do niedawna grafen był jedynie teorią, ponieważ naukowcy nie byli pewni, czy kiedykolwiek będzie możliwe pokrojenie grafitu na pojedyncze warstwy o grubości atomu węgla. Odkrycie sposobu otrzymania grafenu było w dużej mierze dziełem przypadku. Jako pierwsi dokonali tego w 2004 r. Andre GeimKonstantin Novoselova z Uniwersytetu w Manchesterze. Nobliści nie wykorzystali w tym celu drogiego i zaawansowanego technologicznie sprzętu. Pozyskanie legendarnej substancji odbyło się przy użyciu taśmy klejącej, na którą naniesiono próbkę grafitu, a proces przyklejania nowej porcji taśmy i jej odrywania powtarzano do momentu uzyskania monowarstwy.

RGiZNCbCInStg
Animacja przedstawia strukturę grafenu, która jest jedną warstwą grafitu.
Źródło: dostępny w internecie: pl.wikipedia.org, domena publiczna.

Najprostszym sposobem na scharakteryzowanie struktury grafenu jest przedstawienie jej jako pojedynczej, cienkiej warstwy grafitu. Atomy węgla są ułożone w układzie sześciokątnym. Grafen wykazuje ciekawe właściwości i cechy strukturalne, takie jak dwuwymiarowość, wysoka wytrzymałość (jest dwustukrotnie wytrzymalszy niż stal o tej samej grubości ), elastyczność, przezroczystość, przewodność cieplna (dwukrotnie większa niż diament), przewodność elektryczna. Poza tym, membrana z utlenionego grafenu nie przepuszcza gazów, a nawet atomów helu, będąc jednocześnie w pełni przepuszczalna dla wody.

Grafen, który jest tak niezwykły pod wieloma względami, zainspirował naukowców do myślenia o szerokim zakresie zastosowań tego materiału – w elastycznej elektronice (zwijanych w rolkę wyświetlaczy dotykowych), ogniwach słonecznych, półprzewodnikach, filtracji wody, superkondensatorach oraz monitoringu i ochronie środowiska (jako czujniki szkodliwych substancji).

Nanorurki

Nanorurki węglowenanorurki węglowe Nanorurki węglowe (CNT) to cylindryczne cząsteczki składające się ze zwiniętych arkuszy jednowarstwowych atomów węgla (grafenu). Mogą być one jednościenne o średnicy mniejszej niż 1 nanometr (nm) lub wielościenne, składające się z kilku koncentrycznie połączonych nanorurek o średnicach sięgających ponad 100 nm. Ich długość może sięgać kilku mikrometrów, a nawet milimetrów.

Ri83Mhw1rXjuT
Animacja przedstawiająca strukturę nanorurki
Źródło: dostępny w internecie: pl.wikipedia.org, domena publiczna.

Podobnie jak ich budulec – grafen, CNT są związane chemicznie wiązaniami o hybrydyzacji spIndeks górny 2, a więc silną formą oddziaływania molekularnego. Ta cecha, w połączeniu z naturalną skłonnością nanorurek węglowych do łączenia się ze sobą za pomocą sił van der Waalsa, daje możliwość opracowania materiałów o bardzo wysokiej wytrzymałości i niskiej masie, które posiadają wysoce przewodzące właściwości elektryczne i termiczne. Dzięki temu są bardzo atrakcyjne dla wielu zastosowań. Nanorurki węglowe cechują się wytrzymałością mechaniczną na rozciąganie (może być czterysta razy większa w porównaniu ze stalą) oraz niską gęstością (ich gęstość stanowi jedną szóstą gęstości stali). Przewodność cieplna CNT jest lepsza od diamentu. Wszystkie te właściwości sprawiają, że nanorurki węglowe są idealnym materiałem do produkcji urządzeń elektronicznych, chemicznych, elektrochemicznych i bioczujników, tranzystorów, emiterów pola elektronowego, akumulatorów litowo‑jonowych, źródeł światła białego, komórek magazynujących wodór, lamp elektronopromieniowych, urządzeń do ekranowania elektrycznego. W inżynierii tkankowej, nanorurki węglowe mogą działać jako rusztowanie dla wzrostu kości. Mogą być stosowane do monitorowania środowiska ze względu na to, że ich powierzchnia ma zdolność do absorbowania gazów.

Słownik

alotropia
alotropia

(gr. állos „obcy”, „inny” trópos „sposób”, „postać”) – występowanie tego samego pierwiastka chemicznego w dwóch lub więcej odmianach znajdujących się w tym samym stanie skupienia

grafit
grafit

(gr. gráphō „piszę”) – minerał, heksagonalna odmiana pierwiastka węgla; zwykle ma postać ziarnistych, łuskowych lub ziemistych skupień

diament
diament

(średniow. łacina diamentum gr. adámas „niepokonany”) – minerał, regularna odmiana alotropowa pierwiastka węgla, najcenniejszy kamień szlachetny

siły van der Waalsa / oddziaływania van der Waalsa
siły van der Waalsa / oddziaływania van der Waalsa

fiz. słabe dwuciałowe oddziaływania związane z kwantową naturą powłok elektronowych elektrycznie obojętnych atomów lub cząsteczek

nanorurki węglowe
nanorurki węglowe

rurki zbudowane ze zwiniętych cylindrycznie, połączonych brzegami warstw grafitowych

Bibliografia

Atkins P., Jones L., Chemical Principles: The Quest for Insight, 5th Edition, New York 2009.

Bolotin K. I., Sikes K. J., Jiang Z., Klima M. i inni, Ultrahigh electron mobility in suspended graphene, „arXiv + Solid State Communications” 2008, 146 (9‑10), s. 351‑355.

Encyklopedia PWN

Haddon R. C., Zanello L. P., Zhao B. Hu H., Bone Cell Proliferation on Carbon Nanotubes, „Nano Letters” 2006, 6 (3), s. 562–567.

Xuesong L., Weiwei C., Jinho A., Seyoung K., i inni, Large‑Area Synthesis of High‑Quality and Uniform Graphene Films on Copper Foils, „Science” 2009, 324, s. 1312 -1314.