Dimants un grafīts: divu allotropu aizraujošā pasaule

Mūsu ikdienā ogleklis eksistē daudzos veidos, no kuriem pazīstamākie ir grafīts zīmuļu pievados un žilbinoši dimanti – dimanti. Lai gan tie ir iegūti no viena un tā paša elementa, abu fizikālās īpašības ir ļoti atšķirīgas, sākot no krāsas, cietības līdz kušanas temperatūrai, parādot oglekļa daudzveidību un burvību.

Strukturālās atšķirības: izpratne par makroskopiskām atšķirībām no mikroskopiskām

Gan dimants, gan grafīts ir izgatavoti no oglekļa atomiem, kas savienoti ar kovalentām saitēm, taču to izvietojums ir pilnīgi atšķirīgs. Dimants ir daudz cietāks par grafītu, jo oglekļa atomi dimantā ir sakārtoti tetraedriskā struktūrā, un katrs oglekļa atoms ir savienots ar četriem citiem oglekļa atomiem, veidojot ārkārtīgi cietu un vienmērīgu telpiskā tīkla struktūru. Neatkarīgi no tā, kurā virzienā tiek pielietots ārējais spēks, vienlaikus ir jāsarauj liels skaits kovalento saišu, lai tās deformētu vai pārrautu.

 

Turpretim grafīta struktūra šķiet daudz "brīva". Grafīta oglekļa atomi ir sakārtoti slāņos, un oglekļa atomi katrā slānī ir cieši saistīti ar kovalentām saitēm, veidojot sešstūra režģi, savukārt slāņus savā starpā savieno vājāki van der Vāla spēki. Attālums starp slāņiem ir pārāk liels un spēks ir pārāk vājš, tāpēc to ir viegli "salauzt pa vienam" - vispirms to viegli "ieberzē" īpaši plānās kārtās, un pēc tam mikroskopiskā slāņa struktūra tiek viegli iznīcināta ar ārējo iedarbību. spēkus. Šī slāņveida struktūra nodrošina grafītam labu eļļošanu un plastiskumu, padarot to viegli griežamu un formu, un tā cietība ir daudz zemāka nekā dimantam.

 

No grafīta līdz dimantam: mākslīgās sintēzes brīnums

Ņemot vērā milzīgo atšķirību starp dimantu un grafītu, zinātnieki jau sen ir apņēmušies izpētīt metodes, kā sintezēt dimantu no grafīta. No Moissan augstas temperatūras elektriskās krāsns mēģinājuma līdz vēlākai eksplozijas metodei, tvaiku pārklāšanas metodei un pēc tam līdz mūsdienu augstas temperatūras un augstspiediena metodei, katrs tehnoloģiskais jauninājums iezīmē cilvēka izpratnes padziļināšanu par oglekļa materiāliem un tehnisko uzlabojumu. spējas. Īpaši ar tvaiku nogulsnēšanas metodi un augstas temperatūras un augstspiediena metodi, pirmā var audzēt dimanta plēves vai kristālus uz noteikta substrāta, precīzi kontrolējot oglekļa atomu nogulsnēšanas procesu; pēdējā izmanto katalizatoru katalītisko efektu augstas temperatūras un augsta spiediena apstākļos, lai grafītu pārvērstu lielās dimanta daļiņās, kuras izmanto rūpnieciskajos griezējinstrumentos un juvelierizstrādājumos.

 

Cietības un kušanas temperatūras anomālija: kāpēc dimantam ir zems kušanas punkts?

No mikroskopiskā viedokļa kausēšana nozīmē, ka daļiņas, kas veido vielu, iegūst brīvību trīsdimensiju telpā un var brīvi plūst. Dimantam un grafītam šī brīvība prasa vienlaikus iznīcināt lielu skaitu kovalento saišu, tāpēc to kušanas temperatūra ir ļoti augsta.

 

Lielākajai daļai kristālu, jo augstāka ir cietība, jo augstāka ir kušanas temperatūra. Tomēr dimanta un grafīta gadījumā cietība un kušanas temperatūra ir pretrunā.

 

Lai gan dimants ir pazīstams ar savu nepārspējamo cietību, tā kušanas temperatūra ir negaidīti zemāka nekā grafītam. Iemesls tam ir cieši saistīts ar to kovalentās saites stiprību un strukturālajām īpašībām. Oglekļa atomi dimantā izmanto sp3 hibridizāciju, un izveidotās kovalentās saites garums ir garāks (0.155 nm), un saites enerģija ir salīdzinoši zema; kamēr oglekļa atomi grafītā izmanto sp2 hibridizāciju, saites garums ir īsāks (0,142 nm) un saites enerģija ir lielāka. Tāpēc, kad abi materiāli pārvēršas no cietas uz šķidru, lai gan ir jāsarauj liels skaits kovalento saišu, spēcīgākām kovalentajām saitēm grafītā ir nepieciešama lielāka enerģija, lai pārrautu, kā rezultātā grafītam ir augstāka kušanas temperatūra nekā dimantam (3680 grādi grafīts un 3550 grādi dimantam).

 

Grafīta un dimanta siltumvadītspēja

Grafīts ir materiāls ar lielisku siltumvadītspēju, un tā siltumvadītspēja ir daudz augstāka nekā daudziem parastiem materiāliem. Grafīta siltumvadītspējas diapazons parasti ir augsts, bet īpatnējā vērtība mainās atkarībā no grafīta kvalitātes un testa apstākļiem.

 

Grafīta slāņainā struktūra ir tā efektīvas siltumvadītspējas atslēga. Oglekļa atomi slāņos ir cieši saistīti ar spēcīgām kovalentām saitēm, veidojot stabilu struktūru, kas veicina ātru siltuma pārnesi. Tomēr, tā kā slāņus savieno vāji van der Vāla spēki, grafīta siltumvadītspēja starpslāņu virzienā ir salīdzinoši vāja. Neskatoties uz to, grafīts joprojām tiek plaši izmantots kā siltuma pārvaldības materiāls augstas temperatūras vidēs, piemēram, siltuma izlietnēs, siltumvadītspējīgās plēvēs utt. Tā lieliskajai siltumvadītspējai un ķīmiskajai stabilitātei ir svarīga loma šajos lietojumos.

 

Dimantam, lai gan dimants ir izolators un nesatur brīvos elektronus, tam ir vislabākā siltumvadītspēja no visām cietajām vielām. Tās siltumvadītspēja ir viena no labākajām dabā. Istabas temperatūrā dimanta siltumvadītspēja var sasniegt 2000–2200 W/(m·K), kas ir 4–5 reizes lielāka nekā vara un sudraba, 4 reizes lielāka nekā silīcija karbīda (SiC), 13 reizes lielāka nekā silīcija ( Si) un 43 reizes vairāk nekā gallija arsenīds (GaAs). Turklāt IIa tipa dimanta siltumvadītspēja šķidrā slāpekļa temperatūrā var sasniegt 25 reizes lielāku nekā vara siltumvadītspēja, kas parāda super siltuma vadītspēju. Dimantam ir stabilas ķīmiskās īpašības, tas ir izturīgs pret skābēm un sārmiem, kā arī nereaģē ar noteiktām ķīmiskām vielām augstā temperatūrā. Šīs īpašības ļauj tai saglabāt labu siltumvadītspēju pat ekstremālos apstākļos.

 

Dimanta struktūrā nav brīvu elektronu, kā tad tam var būt siltumvadītspēja? Izrādās, ka siltumvadītspējas un elektrovadītspējas būtība ir atšķirīga, ko nosaka siltuma mikroskopiskais raksturs - siltuma mikroskopiskā būtība ir daļiņu kustība. Ja mikroskopisko daļiņu kustības ātrums ir ātrs, ārējā izpausme ir augsta temperatūra. Šī mikroskopisko daļiņu kustība var būt brīva un neregulāra, vai arī tā var būt pašvibrācija uz režģa. Var iedomāties, ka dimanta izcilā siltumvadītspēja tiek panākta ar pašu oglekļa atomu vibrāciju uz režģa. Pateicoties dimanta režģa ļoti sakārtotajam izvietojumam un tam, ka tā vibrācijas frekvence ļoti atbilst frekvencei, kas nepieciešama siltuma (būtībā elektromagnētiskā viļņa) vadīšanai, šī oglekļa atomu vibrācija var viegli izraisīt kristāla rezonansi, tādējādi ātri Novadot siltumu no vienas vietas uz otru, padarot dimantu par cieto vielu ar vislabāko siltumvadītspēju.

 

Šī unikālā siltumvadītspēja padara dimantu plaši izmantotu augsto tehnoloģiju jomās. Piemēram, pusvadītāju mikroshēmu iepakojumā dimants var ātri vadīt siltumu, lai novērstu mikroshēmas sliktu darbību vai samazinātu uzticamību pārmērīgas temperatūras dēļ. Turklāt dimantu izmanto arī siltuma izlietņu un augstas siltumvadītspējas saskarnes materiālu ražošanai lieljaudas elektroniskām ierīcēm. Pateicoties augstajai siltumvadītspējai un zemajam siltuma izplešanās koeficientam, tas var efektīvi samazināt materiāla izmēru izmaiņas, mainoties temperatūrai, kā arī uzlabot iekārtas stabilitāti un uzticamību.

Tā kā oglekļa alotropi, dimants un grafīts uzrāda pilnīgi atšķirīgas makroskopiskās īpašības, pateicoties to unikālajām mikrostruktūrām. No to savstarpējās pārveidošanas līdz anomālām fizikālajām īpašībām katrs atklājums ir dziļa dabas noslēpumu atklāsme un cilvēka gudrības un tehnoloģiskā progresa liecība.