Hva er allotropene av karbon?

På grunn av sine unike kjemiske bindingsegenskaper har karbon de mest stabile allotropene av ethvert element. Noen karbonatomer, som grafitt og diamant, forekommer naturlig; andre, for eksempel nanorør, må produseres på laboratoriet. Carbon overflod og allsidighet gjør det til et av de mest studerte materialene innen nanoteknologiforskning, og allotropene har et bredt spekter av nyttige egenskaper, for eksempel høy strekkfasthet og høye smeltepunkter.

Amorf karbon og grafitt er de to vanligste allotropene, og de utgjør hovedparten av naturlige karbonforbindelser som kull og sot. Amorf karbon har ingen spesiell krystallstruktur, som de fleste glass. Karbonatomene i grafitt er anordnet i lag; hvert lag har sterke bindinger som holder det sammen, men lagene binder ikke sterkt, og de kan lett gnides av hverandre. Ren pyrolytisk grafitt, der lagene alle er anordnet i samme plan, er et ekstremt sterkt, varmebestandig materiale som brukes i miljøer med høy belastning og høytemperatur. Grafitt leder strøm og kan brukes som moderator for atomreaktorer.

Diamond, den andre naturlige karbonallotropen, har en stiv, sammenlåst krystallstruktur. Diamond er et av de hardeste stoffene som er kjent, og brukes i industrien til å slipe og kutte materialer. Gjennomsiktigheten og holdbarheten til diamant gjør den høyt verdsatt som en edelsten, og smykkebransjen har gjort diamantgruvedrift til en industri på flere milliarder dollar. Diamant kan produseres syntetisk fra andre allotropes, men det krever ekstremt høye temperaturer og trykk for å danne.

Andre, mer eksotiske allotropes inkluderer buckyballs, nanotubes og carbon nanofoam. Disse forekommer naturlig i sot, og er funnet i minst en planetnebula, selv om de også kan opprettes syntetisk. Buckyballs er lukkede, ballformede nettverk av karbonatomer, som danner sammenlåsende femkanter og sekskanter. Karbon nanorør deler den samme strukturen som grafitt, men i stedet for å ha en bunke lag, vikler en nanorør seg rundt og bindes med seg selv, og danner en lang sylinder. Karbon nanorør har veldig høy strekkfasthet, noe som gjør dem attraktive som nye konstruksjonsmaterialer, selv om de ikke på langt nær er like sterke under komprimering.