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!

Обновлено 14.11.2018
Статья размещена на сайте 19.04.2012

Комментарии (3):

Чтобы оставить комментарий зарегистрируйтесь или войдите на сайт

Войти через социальные сети: