Jakie są alotropy węgla?
Węgiel, ze względu na swoje unikalne właściwości wiązania chemicznego, ma najbardziej stabilne alotropy z dowolnego pierwiastka. Niektóre alotropy węgla, takie jak grafit i diament, występują naturalnie; inne, takie jak nanorurki, muszą być wytwarzane w laboratorium. Obfitość i wszechstronność węgla czyni go jednym z najlepiej przebadanych materiałów w badaniach nanotechnologicznych, a jego alotropy mają szeroki zakres użytecznych właściwości, takich jak wysoka wytrzymałość na rozciąganie i wysokie temperatury topnienia.
Amorficzny węgiel i grafit to dwa najczęstsze alotropy, które stanowią większość naturalnych związków węgla, takich jak węgiel i sadza. Węgiel amorficzny nie ma szczególnej struktury krystalicznej, jak większość szkieł. Atomy węgla w graficie są ułożone warstwowo; każda warstwa ma silne wiązania, które utrzymują ją razem, ale warstwy nie wiążą się silnie i można je łatwo zetrzeć. Czysty grafit pirolityczny, w którym wszystkie warstwy są ułożone w tej samej płaszczyźnie, jest niezwykle silnym, żaroodpornym materiałem stosowanym w środowiskach o wysokim naprężeniu i wysokiej temperaturze. Grafit przewodzi prąd i może być wykorzystywany jako moderator reaktorów jądrowych.
Diament, inny naturalny alotrop węglowy, ma sztywną, zblokowaną strukturę krystaliczną. Diament jest jedną z najtwardszych znanych substancji i jest wykorzystywany w przemyśle do szlifowania i cięcia materiałów. Przezroczystość i trwałość diamentu sprawiają, że jest on bardzo ceniony jako kamień szlachetny, a branża jubilerska zmieniła wydobycie diamentów w przemysł warty wiele miliardów dolarów. Diament może być wytwarzany syntetycznie z innych alotropów, ale wymaga bardzo wysokich temperatur i nacisków.
Inne, bardziej egzotyczne alotropy to buckyball, nanorurki i węglowa nanopianka. Występują one naturalnie w sadzy i zostały znalezione w co najmniej jednej mgławicy planetarnej, chociaż można je również utworzyć syntetycznie. Buckyballs są zamkniętymi, kulistymi sieciami atomów węgla, które tworzą zazębiające się pięciokąty i sześciokąty. Nanorurki węglowe mają tę samą strukturę co grafit, ale zamiast stosu warstw nanorurka owija się i łączy ze sobą, tworząc długi cylinder. Nanorurki węglowe mają bardzo wysoką wytrzymałość na rozciąganie, co czyni je atrakcyjnymi jak nowe materiały konstrukcyjne, chociaż nie są tak wytrzymałe na ściskanie.