Vad är allotroperna av kol?

På grund av dess unika kemiska bindningsegenskaper har kol de mest stabila allotropema av något element. Vissa kolotillskott, såsom grafit och diamant, förekommer naturligt; andra, till exempel nanorör, måste tillverkas i laboratoriet. Kolens överflöd och mångsidighet gör det till ett av de mest studerade materialen inom nanoteknologisk forskning, och dess allotroper har ett brett spektrum av användbara egenskaper, såsom hög draghållfasthet och höga smältpunkter.

Amorft kol och grafit är de två vanligaste allotropema och utgör huvuddelen av naturliga kolföreningar som kol och sot. Amorft kol har ingen speciell kristallstruktur, som de flesta glasögon. Kolatomerna i grafit är arrangerade i lager; varje lager har starka bindningar som håller den ihop, men lagren binds inte starkt, och de kan lätt gnides av varandra. Ren pyrolytisk grafit, där lagren alla är arrangerade i samma plan, är ett extremt starkt, värmebeständigt material som används i miljöer med hög belastning och hög temperatur. Grafit leder elektricitet och kan användas som moderator för kärnreaktorer.

Diamond, den andra naturliga koltypen, har en styv, sammankopplande kristallstruktur. Diamant är en av de hårdaste ämnena som är känd och används inom industrin för att slipa och skär material. Diamantens transparens och hållbarhet gör den mycket uppskattad som en ädelsten, och smyckevirksomheten har förvandlat diamantbrytning till en industri med flera miljarder dollar. Diamond kan tillverkas syntetiskt från andra allotropes, men det kräver extremt höga temperaturer och tryck för att bildas.

Andra, mer exotiska allotroper inkluderar buckyballar, nanorör och kol nanofoam. Dessa förekommer naturligt i sot och har hittats i minst en planetnebulosa, även om de också kan skapas syntetiskt. Buckyballs är stängda, kulformade nätverk av kolatomer, som bildar sammanlåsande pentagoner och hexagoner. Kolnanorör delar samma struktur som grafit, men istället för att ha en bunt med skikt, slår en nanorör runt sig och binds med sig själv och bildar en lång cylinder. Kolananorör har mycket hög draghållfasthet, vilket gör dem attraktiva som nya konstruktionsmaterial, även om de inte är lika starka under kompression.