Jaké jsou allotropy uhlíku?

Uhlík má díky svým jedinečným vlastnostem chemické vazby nejstabilnější allotropy jakéhokoli prvku. Některé allotropy uhlíku, jako je grafit a diamant, se vyskytují přirozeně; v laboratoři musí být vyrobeny další, jako jsou nanotrubičky. Množství uhlíku a jeho univerzálnost z něj činí jeden z nejstudovanějších materiálů ve výzkumu nanotechnologií a jeho allotropy mají širokou škálu užitečných vlastností, jako je vysoká pevnost v tahu a vysoké teploty tání.

Amorfní uhlík a grafit jsou dvě nejběžnější allotropy a tvoří většinu přírodních sloučenin uhlíku, jako je uhlí a saze. Amorfní uhlík nemá žádnou zvláštní krystalovou strukturu, jako většina skel. Atomy uhlíku v grafitu jsou uspořádány ve vrstvách; každá vrstva má silné svazky, které ji drží pohromadě, ale vrstvy se nevazují silně a mohou se snadno navzájem otřít. Čistý pyrolytický grafit, kde jsou všechny vrstvy uspořádány ve stejné rovině, je extrémně silný materiál odolný vůči teplu, který se používá ve vysoce namáhaných prostředích s vysokou teplotou. Grafit vede elektřinu a může být použit jako moderátor jaderných reaktorů.

Diamond, další přírodní uhlík allotrope, má tuhou, vzájemně propojenou krystalovou strukturu. Diamant je jednou z nejtěžších známých látek a používá se v průmyslu k broušení a řezání materiálů. Průhlednost a trvanlivost diamantu z něj činí vysoce ceněný drahokam a klenotnictví změnilo těžbu diamantů v odvětví s miliardami dolarů. Diamant může být vyroben synteticky z jiných allotropů, ale vyžaduje extrémně vysoké teploty a tlaky.

Mezi další exotičtější allotropy patří buckyballs, nanotrubice a uhlíkové nanofoam. Vyskytují se přirozeně v sazích a byly nalezeny v alespoň jedné planetární mlhovině, i když je lze také vytvořit synteticky. Buckyballs jsou uzavřené, kulovité sítě atomů uhlíku, které vytvářejí vzájemně propojené pentagony a hexagony. Uhlíkové nanotrubice sdílejí stejnou strukturu jako grafit, ale místo toho, aby měly hromadu vrstev, se nanotrubice ovine a spojí se sebou, čímž vytvoří dlouhý válec. Uhlíkové nanotrubice mají velmi vysokou pevnost v tahu, díky čemuž jsou atraktivní jako nové konstrukční materiály, i když při stlačení nejsou zdaleka tak silné.