Hvad er allotroperne af kulstof?

På grund af dets unikke kemiske bindingsegenskaber har kulstof de mest stabile allotroper af ethvert element. Nogle allotroper af kulstof, såsom grafit og diamant, forekommer naturligt; andre, såsom nanorør, skal fremstilles i laboratoriet. Carbon overflod og alsidighed gør det til et af de mest studerede materialer inden for nanoteknologisk forskning, og dets allotroper har en lang række nyttige egenskaber, såsom høj trækstyrke og høje smeltepunkter.

Amorf kulstof og grafit er de to mest almindelige allotroper, og de udgør størstedelen af ​​naturlige kulstofforbindelser som kul og sod. Amorft kulstof har ingen særlig krystalstruktur, ligesom de fleste briller. Kulstofatomerne i grafit er arrangeret i lag; hvert lag har stærke bindinger, der holder det sammen, men lagene binder ikke stærkt, og de kan let gnides fra hinanden. Ren pyrolytisk grafit, hvor lagene alle er arrangeret i samme plan, er et ekstremt stærkt, varmebestandigt materiale, der bruges i miljøer med høj belastning og høj temperatur. Grafit leder elektricitet og kan bruges som moderator til atomreaktorer.

Diamond, den anden naturlige kulstofototype, har en stiv, sammenlåst krystalstruktur. Diamond er et af de kendte hårdeste stoffer og bruges i industrien til at slibe og skære materialer. Diamantens gennemsigtighed og holdbarhed gør det meget værdsat som en ædelsten, og smykkebranchen har gjort diamantminedrift til en industri på flere milliarder dollars. Diamant kan fremstilles syntetisk fra andre allotropes, men det kræver ekstremt høje temperaturer og tryk for at dannes.

Andre, mere eksotiske allotroper inkluderer buckyballs, nanorør og carbon nanofoam. Disse forekommer naturligt i sod og er fundet i mindst en planettåge, skønt de også kan oprettes syntetisk. Buckyballs er lukkede, kugleformede netværk af kulstofatomer, der danner sammenlåsende femkanter og sekskanter. Carbon-nanorør deler den samme struktur som grafit, men i stedet for at have en stak lag, vikles en nanorør rundt og bindes med sig selv og danner en lang cylinder. Carbon-nanorør har meget høj trækstyrke, hvilket gør dem attraktive som nye byggematerialer, skønt de ikke er næsten lige så stærke under komprimering.