2.2. Углеродные наноматериалы

2.2.1. Аллотропные модификации углерода

Аллотропия – это существование одного и того же химического элемента в виде двух и более простых веществ, различных по строению и свойствам – т. н. аллотропических модификаций. Примеры: кислород О₂ и озон О₃ (аллотропия состава); графит и алмаз (аллотропия формы). В настоящее время кроме аморфного углерода известны следующие его аллотропические модификации:

• графит;

• алмаз;

• карбин (синтезирован в начале 60-х годов ХХ века в России);

• лонсдейлит (обнаружен в 1967 году в метеоритных остатках в США);

• фуллерены (открыты в 1985 году в США);

• углеродные нанотрубки (открыты в 1991 году в Японии);

• графен (получен в 2004 году в Англии).

Особый интерес представляют три последних модификации углерода, а именно, фуллерены, углеродные нанотрубки и графен. Использование уникальных свойств этих материалов является одним из наиболее приоритетных направлений нанотехнологий. Остальные модификации (графит, алмаз, карбин и лонсдейлит) известны давно, поэтому свойства этих материалов рассмотрим очень кратко.

Г рафит. Графит состоит из атомов углерода в состоянии sp²-гибридизации и имеет многослойную кристаллическую структуру (рис. 2.3). Слои из атомов углерода в графите связаны между собой относительно слабыми силами Ван-дер-Ваальса. В каждом слое атомы углерода выстроены в правильные шестиугольники и образуют гексагональную плоскую решетку.

Рис. 2.3. Кристаллическая структура графита

К аждый атом углерода соединяется σ-связями с тремя ближайшими соседями, расположенными на расстояниях 0,1415 нм. При этом π-электроны являются общими для всего слоя и дополнительно значительно укрепляют его. Они же определяют и высокую электропроводность графита.

Алмаз. Атомы углерода в алмазе находятся в состоянии sp³-гибридизации. Каждый атом углерода в структуре алмаза расположен в центре тетраэдра, вершинами которого служат четыре ближайших атома.

Рис. 2.4. Кристаллическая структура алмаза

Каждый атом углерода соединяется с четырьмя ближайшими соседями sp³-орбиталями (расстояние – 0,154 нм). Кристалл является настолько прочным, что алмаз считается в материаловедении эталоном твердости и прочности. При нормальных условиях метастабилен, т. е. может существовать очень долго.

Карбин представляет собой аллотропную форму углерода на основе sp-гибридизации углеродных атомов. Карбин может быть линейным или образовывать циклические структуры. В молекуле карбина атомы углерода соединены в цепочки поочередно либо тройными и одинарными связями –С≡С–С≡С–, либо только двойными связями =С=С=С=С=.

Карбин обладает полупроводниковыми свойствами, причем под воздействием света его проводимость сильно увеличивается. Карбин впервые получен в искусственных условиях в начале 60-х годов прошлого века советскими химиками В. Коршаком, А. Сладковым, В. Касаточкиным и Ю. Кудрявцевым.

Л онсдейлит. Лонсдейлит предсталяет собой гексагональный алмаз и является природным минералом. Обнаружен в 1967 году в метеоритных остатках в кратере Барринджера (США). Алмаз и лонсдейлит имеют одинаковые валентные углы (примерно 109 °), длины связей у них равны 0,1545 нм, координационное число – 4. Лонсдейлит является одним из самых твердых из известных веществ, на 58 % превосходящем по твердости алмаз.

Рис. 2.5. Кристаллическая структура лонсдейлита

Предположительно, лонсдейлит формируется в момент столкновения метеорита с поверхностью Земли из графита, имеющегося в составе метеорита. Под действием огромных температуры и давления происходит превращение графита в алмаз, но при этом сохраняется структура гексагональной кристаллической решетки графита.