Was sind die Allotrope von Kohlenstoff?

Kohlenstoff hat aufgrund seiner einzigartigen chemischen Bindungseigenschaften die stabilsten Allotrope aller Elemente. Einige Kohlenstoffallotrope wie Graphit und Diamant kommen auf natürliche Weise vor. Andere wie Nanoröhren müssen im Labor hergestellt werden. Die Fülle und Vielseitigkeit von Kohlenstoff macht ihn zu einem der am besten untersuchten Materialien in der Nanotechnologieforschung. Seine Allotrope weisen eine breite Palette nützlicher Eigenschaften auf, wie z. B. hohe Zugfestigkeit und hohe Schmelzpunkte.

Amorpher Kohlenstoff und Graphit sind die beiden am häufigsten vorkommenden Allotrope und machen den Großteil der natürlichen Kohlenstoffverbindungen wie Kohle und Ruß aus. Amorpher Kohlenstoff hat wie die meisten Gläser keine besondere Kristallstruktur. Die Kohlenstoffatome im Graphit sind in Schichten angeordnet; Jede Schicht hat starke Bindungen, die sie zusammenhalten, aber die Schichten verbinden sich nicht stark und sie können leicht voneinander abgerieben werden. Reiner pyrolytischer Graphit, bei dem alle Schichten in einer Ebene angeordnet sind, ist ein extrem starkes, hitzebeständiges Material, das in Umgebungen mit hoher Beanspruchung und hohen Temperaturen verwendet wird. Graphit leitet Strom und kann als Moderator für Kernreaktoren eingesetzt werden.

Diamant, das andere natürliche Kohlenstoff-Allotrop, hat eine starre, ineinandergreifende Kristallstruktur. Diamant ist eine der härtesten bekannten Substanzen und wird in der Industrie zum Schleifen und Schneiden von Materialien verwendet. Die Transparenz und Haltbarkeit des Diamanten machen ihn zu einem begehrten Edelstein, und das Schmuckgeschäft hat den Diamantenabbau zu einer milliardenschweren Industrie gemacht. Diamant kann synthetisch aus anderen Allotropen hergestellt werden, erfordert jedoch extrem hohe Temperaturen und Drücke, um sich zu bilden.

Andere, exotischere Allotrope sind Buckyballs, Nanoröhren und Kohlenstoffnanoschaum. Diese kommen natürlicherweise in Ruß vor und wurden in mindestens einem Planetennebel gefunden, können aber auch synthetisch hergestellt werden. Buckyballs sind geschlossene, kugelförmige Netzwerke von Kohlenstoffatomen, die ineinandergreifende Fünfecke und Sechsecke bilden. Kohlenstoffnanoröhren haben die gleiche Struktur wie Graphit, aber statt eines Schichtstapels wickelt sich eine Nanoröhre um sich selbst und verbindet sich zu einem langen Zylinder. Kohlenstoffnanoröhren haben eine sehr hohe Zugfestigkeit, was sie als neue Baumaterialien attraktiv macht, obwohl sie unter Druck nicht annähernd so stark sind.