Wat zijn de allotropen van koolstof?

Koolstof heeft vanwege zijn unieke chemische bindingseigenschappen de meest stabiele allotropen van elk element. Sommige allotropen van koolstof, zoals grafiet en diamant, komen van nature voor; anderen, zoals nanobuisjes, moeten in het laboratorium worden vervaardigd. De overvloed en veelzijdigheid van koolstof maakt het een van de meest bestudeerde materialen in nanotechnologisch onderzoek, en zijn allotropen hebben een breed scala aan nuttige eigenschappen, zoals een hoge treksterkte en hoge smeltpunten.

Amorf koolstof en grafiet zijn de twee meest voorkomende allotropen en vormen de meerderheid van de natuurlijke koolstofverbindingen zoals steenkool en roet. Amorf koolstof heeft geen specifieke kristalstructuur, zoals de meeste glazen. De koolstofatomen in grafiet zijn gerangschikt in lagen; elke laag heeft sterke bindingen die het bij elkaar houden, maar de lagen binden niet sterk en ze kunnen gemakkelijk van elkaar worden afgewreven. Zuiver pyrolytisch grafiet, waarbij de lagen allemaal in hetzelfde vlak zijn gerangschikt, is een extreem sterk, hittebestendig materiaal dat wordt gebruikt in omgevingen met hoge stress en hoge temperaturen. Grafiet geleidt elektriciteit en kan worden gebruikt als moderator voor kernreactoren.

Diamant, de andere natuurlijke koolstofallotroop, heeft een stijve, in elkaar grijpende kristalstructuur. Diamant is een van de moeilijkste bekende stoffen en wordt in de industrie gebruikt om materialen te slijpen en te snijden. De transparantie en duurzaamheid van diamant maken het zeer gewaardeerd als edelsteen, en de juwelierszaak heeft diamantwinning veranderd in een industrie van meerdere miljarden dollars. Diamant kan synthetisch worden vervaardigd uit andere allotropen, maar het vereist extreem hoge temperaturen en drukken om zich te vormen.

Andere, meer exotische allotropen zijn buckyballs, nanobuisjes en koolstof nanofoam. Deze komen van nature voor in roet en zijn gevonden in ten minste één planetaire nevel, hoewel ze ook synthetisch kunnen worden gemaakt. Buckyballs zijn gesloten, bolvormige netwerken van koolstofatomen, die in elkaar grijpende vijfhoeken en zeshoeken vormen. Nanobuizen van koolstof hebben dezelfde structuur als grafiet, maar in plaats van een stapel lagen, wikkelt een nanobuis zich rond en bindt zich met zichzelf, waardoor een lange cilinder ontstaat. Nanobuizen van koolstof hebben een zeer hoge treksterkte, waardoor ze aantrekkelijk zijn als nieuwe bouwmaterialen, hoewel ze lang niet zo sterk zijn onder druk.