Этот удивительный углерод...

Наверняка вы не раз слышали, что все мы - углеродная форма жизни. И это действительно так, ведь все живое вокруг нас состоит из органических соединений, которые по сути своей - всего лишь цепочки атомов углерода, с небольшими вкраплениями других химических элементов. Одно это делает углерод особенным элементом. Но на этом многообразие его удивительных способностей не заканчивается, и сегодня мы расскажем вам о трех самых прочных материалах в мире, которые все состоят из... углерода!

Итак, углерод - шестой по порядку элемент таблицы Менделеева, массой 12 a. е. м., в ядре которого содержится по 6 протонов и нейтронов. Находясь в четвертом столбце периодической таблицы, углерод обладает аж четырьмя валентными электронами, которые активно использует для присоединения других атомов. Есть у углерода и два изотопа - стабильный ^{13}C и радиоактивный ^{14}C, правда их суммарная доля составляет всего около одного процента.

Атом углерода и его изотопы. Также показаны электронные орбитали с валентными электронами.

Атом углерода и его изотопы. Также показаны электронные орбитали с валентными электронами. Источник: adapaproject.org

Казалось бы, пока ничего особенного - атом как атом. Чудеса начинаются, когда атомы углерода начинают объединяться, выстраивая кристаллическую решетку. И, в зависимости от строения этой решетки, свойства получаемого вещества могут быть абсолютно разными. Возьмем, к примеру, всем известный графит, из которого делаются стержни карандашей. Почему карандашом так легко писать? Почему графитовый стержень в принципе оставляет след на бумаге? Ответы на эти вопросы дает кристаллическая решетка, показанная на рисунке ниже.

Кристаллическая решетка графита, которую мы помним еще со школьной скамьи. Источник: keyword-suggestions.com

Кристаллическая решетка графита, которую мы помним еще со школьной скамьи. Источник: keyword-suggestions.com

Здесь показано три слоя, каждый из которых состоит из шестиугольных ячеек атомов углерода.  Атомы в ячейках довольно сильно связаны между собой, а вот связь между отдельными слоями - гораздо слабее, поэтому они легко отрываются друг от друга. Именно это происходит, когда вы надавливаете кончиком карандашного стержня на поверхность бумаги. И, чем сильнее вы давите на карандаш, тем больше слоев графита отрывается и тем более "жирный" след остается на бумаге. Получается, что графит - довольно мягкий и ломкий материал, однако стоит взять отдельный его слой - и мы получаем графен - знаменитый двумерный материал, открытый российскими физиками и широко известный своей невероятной прочностью.

Гипотетический гамак, массой в несколько миллиграмм и площадью 1 кв. м. способен выдержать весь взрослого кота, массой 4 кг.

Гипотетический гамак, массой в несколько миллиграмм и площадью 1 кв. м. способен выдержать вес взрослого кота, массой 4 кг. Источник: elementy.ru

Но не будем дальше распространяться о замечательных свойствах графена, а обратим внимание на еще одно соединение углерода, известное нам со школьных времен. Алмаз - драгоценный камень, становящийся после ювелирной обработки сверкающим бриллиантом, сегодня замыкает нашу тройку самых прочных материалов на нашей планете. Секрет его прочности - в отличной от графита кристаллической решетке (показана ниже). Если присмотреться - в ней каждый атом углерода связан с четырьмя соседними атомами химическими связями одинаковой прочности, поэтому нет какого-либо выделенного кусочка, который было бы легко оторвать от остальной структуры. Благодаря своей прочности (а также другим полезным свойствам, о которых мы еще поговорим в дальнейшем) алмазы на сегодняшний день широко используются не только в качестве красивых побрякушек, но и в разных высокотехнологичных отраслях промышленности.

Структура кристаллической решетки алмаза.

Структура кристаллической решетки алмаза. Источник: e-import.ru

До определенного момента алмаз считался рекордсменом прочности, однако в 1966 году был искусственно получен лонсдейлит, также называемый гексагональным алмазом, который при правильной обработке становится в полтора раза прочнее алмаза. Его кристаллическая решетка показана на рисунке ниже и отличается от алмазной способом упаковки слоев. Кстати, в природе такой материал тоже встречается, образуясь при падении метеоритов, содержащих графит.

Кристаллическая решетка лонсдейлита.

Кристаллическая решетка лонсдейлита. Источник: thefutureofthings.com

Наконец, лидером нашего сегодняшнего хит-парада самых прочных материалов становится фуллерит - еще один материал, полностью состоящий из атомов углерода, который до двух раз прочнее алмаза. Ученым удалось его синтезировать в 1990-х годах в нескольких лабораториях по всему миру (в том числе, и в России). Отличительной особенностью фуллерита является то, что в узлах его кристаллической решетки находятся не отдельные атомы углерода (как в описанных выше материалах), а целые углеродные молекулы - фуллерены. Вообще говоря, фуллерены заслуживают отдельной статьи, так как сами по себе обладают рядом очень интересных свойств (не зря же за их открытие дали Нобелевскую премию по химии), однако по сути своей это просто мячики из 60-70 атомов углерода, объединенных в пяти- или шестиугольные ячейки.

image

Несмотря на то, что получение фуллерита и лонсдейлита в больших количествах остается насущной проблемой, они уже используются в отдельных приложениях (например, в композитных материалах). И, само собой, ученые ищут новые способы их получения, которые позволят удешевить их производство.

Что касается алмаза и некоторых его применений - то об этом будет наша следующая статья!

А чтобы не пропустить ее и еще множество интересных новостей, присоединяйтесь к сообществу MakeItQuantum!

P.S. для желающих копнуть поглубже - вот ссылки на оригинальные статьи про лонсдейлит и фуллерит

Комментарии: