Николай Аблесимов Грандмастер

Графит или графен?

Так графит или графен? И то, и другое. Поскольку это две разные аллотропные модификации углерода. Существует около 400 тысяч неорганических веществ. Число известных органических соединений намного превышает 10 милионов и увеличивается каждый год на 250−300 тысяч. Вот сколько насинтезировали!

maigi Shutterstock.com

Замечу, что химики — единственные ученые из естествоиспытателей, которые сами создают себе объекты исследования. Это всего из более чем сотни химических элементов.

Я всегда говорю, что фаза подвижнее элемента. Итак, о понятии фаза. Строго.

Термодинамическая фаза — термодинамически однородная по составу и свойствам часть термодинамической системы, отделенная от других фаз поверхностями раздела (не всегда, бывают случаи частичной аморфизации — прим. автора), на которых скачком изменяются некоторые свойства системы.

Другое определение: Фаза — гомогенная часть гетерогенной системы. В однокомпонентной системе разные фазы могут быть представлены различными агрегатными состояниями или разными полиморфными модификациями вещества. В многокомпонентной системе фазы могут иметь различный состав и структуру.

Газ всегда состоит из одной фазы, жидкость может состоять из нескольких жидких фаз разного состава (ликвация, жидкостная несмешиваемость), но двух разных жидкостей одного состава в равновесии сосуществовать не может.

Вещество в твердом состоянии может состоять из нескольких фаз, причем некоторые из них могут иметь одинаковый состав, но различную структуру (полиморфизм — существование кристаллических веществ с одинаковым составом, но разной структурой; полиморфизм для простых веществ называют аллотропией).

Поскольку разделение на термодинамические фазы — более мелкая классификация состояний, чем разделение по агрегатным состояниям вещества, то далеко не каждый фазовый переход сопровождается сменой агрегатного состояния. Однако любая смена агрегатного состояния есть фазовый переход.

Пример с углеродом. Один элемент. А сколько дает фаз? Восемь!

Первая — алмаз. Очень твердый.
Вторая — графит. Чем они отличаются? Структурой. В результате совершенно разные материалы. Карандашиком из графита мы можем писать записочки. Кстати, карандаш сыграл огромную роль в ликвидации неграмотности в России. Арманд Хаммер — американский бизнесмен — сделал себе состояние в послереволюционной России, построив карандашную фабрику им. Сакко и Ванцетти. С помощью этих карандашей Россия из почти полностью неграмотной страны превратилась в самую читающую, а с помощью СМСок и чата в Интернете превращается снова в неграмотную. Назад к карандашам!
Третья — карбин — аллотропная форма углерода на основе sp-гибридизации углеродных атомов. Состоит из углеродных фрагментов с тройной (-С==С-С==С-) или двойной кумулированной (=С=С=С=С=) связью. Может быть линейным или образовывать циклические структуры.
Четвертая — лонсдейлит, или алмаз гексагональный (самое твердое вещество, на 58% превосходящем по твердости алмаз).
Пятая — аморфный углерод. У нее нет дальнего порядка.
Шестая — фуллерен — C60−540. Полностью называется бакминстерфуллерен. Выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода. Своим названием обязаны дизайнеру Ричарду Бакминстеру Фуллеру, применявшего для постройки куполов своих зданий пяти- и шестиугольники, являющиеся основными структурными элементами молекулярных каркасов всех фуллеренов. Внутрь фуллеренов можно вводить различные металлы. Получающиеся материалы демонстрируют свойства от диэлектриков до сверхпроводников! За открытие фуллеренов Х. Крото, Р. Смолли и Р. Керлу в 1996 году была присуждена Нобелевская премия по химии.
Седьмая — графен (англ. graphene). По-научному, это двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, находящихся в sp2-гибридизации и соединённых посредством σ- и π-связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку.
Высокая подвижность носителей заряда (максимальная подвижность электронов среди всех известных материалов) делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности — как будущую основу наноэлектроники и возможную замену кремния в интегральных микросхемах.
Основной из существующих в настоящее время способов получения графена основан на механическом отщеплении слоёв графита от пиролитического графита, например, с помощью… скотча. Этот метод не предполагает использования масштабного производства, поскольку это ручная процедура (возврат к веревочно-сургучной науке). За «передовые опыты с двумерным материалом — графеном» А. К. Гейму и К. С. Новосёлову была присуждена Нобелевская премия по физике за 2010 год.
Восьмая — при сворачивании графена в цилиндр получается одностенная нанотрубка. В зависимости от конкретной схемы сворачивания графитовой плоскости, нанотрубки могут обладать или металлическими, или полупроводниковыми свойствами.

Как, однако, многолик обычный углерод, не правда ли!

Статья опубликована в выпуске 22.04.2012
Обновлено 14.11.2018

Комментарии (3):

Чтобы оставить комментарий зарегистрируйтесь или войдите на сайт

Войти через социальные сети: