Көміртектің түрлері мен қасиеттері

Кіріспе

Көміртекте ғана жасалған материалдар

Көміртек өзінің валенттілігіне байланысты көптеген аллотроптарды (бір элементтің құрылымдық жағынан әртүрлі формаларын) құра алады. Көміртегінің жақсы белгілі формаларына алмаз бен графит жатады. Соңғы онжылдықтарда бакминстерфуллерин сияқты шар тәрізді және графен сияқты қабатты формалар сияқты көптеген аллотроптар ашылып, зерттелді. Көміртегінің ірі масштабты құрылымдарына нанотүтіктер, нанобұдырлар және нанотаспалар жатады. Көміртегінің басқа да ерекше формалары өте жоғары температурада немесе экстремалды қысымда ғана пайда болады. Самара көміртек аллотроптар дерекқоры (SACADA) мәліметінше, қазіргі уақытта көміртегінің шамамен 500 гипотетикалық 3-кезеңді аллотропы белгілі.

Атомдық және екі атомды көміртек

Белгілі бір жағдайларда көміртек атомдық түрінде кездесуі мүмкін. Ол графиттің булануы арқылы немесе өте төмен қысымда көміртек доғасын жасау үшін үлкен электр тогын өткізу арқылы түзіледі. Өте реактивті болғанымен, ол карбендерді жасауда қолданылатын аралық өнім. Диатомдық көміртек де белгілі бір жағдайларда табылуы мүмкін. Ол көбінесе кометалар мен кейбір жұлдыздар сияқты ғарыз денелерінде спектроскопиялық әдіспен анықталады.

Алмаз

Алмаз – көміртегінің белгілі бір аллотроптық түрі. Оның жоғары қаттылығы, өте жоғары жарық сындыру көрсеткіші және жарықтың күшті шашырауы оны өнеркәсіптік қолдануда және зергерлік бұйымдар жасауда пайдалы етеді. Алмаз – табиғатта кездесетін ең қатты минерал. Бұл оны тамаша абразивті материал етеді және оның жылтырлығын ұзақ сақтауға мүмкіндік береді. Табиғатта кездесетін ешқандай зат алмазды кесе алмайды немесе сыза алмайды, тек басқа алмаз ғана. Алмаз түріндегі көміртегі – ең қымбат элементтердің бірі. Алмаздың кристалдық құрылымы – бет-орталық кубтық тор, бірлік жасушасында сегіз атомнан тұрады, бұл алмаз кубтық құрылымды қалыптастырады. Әр көміртегі атомы тетраэдрлік геометрияда басқа төрт көміртегі атомымен ковалентті байланысқа түседі. Бұл тетраэдрлер бірлесіп, орындық конформациясындағы алты мүшелі көміртегі сақиналарынан тұратын үш өлшемді желі құрайды, бұл байланыс бұрышында кернеудің болмауын қамтамасыз етеді. sp3 гибридтелген орбитальдар арқылы байланыс пайда болады, нәтижесінде C-C байланысының ұзындығы 154 пм-ге жетеді. Мұндай кернеусіз ковалентті байланыстар желісі алмазды өте мықты етеді. Алмаз 1,7 қысымнан төмендегі жағдайда графиттен термодинамикалық тұрғыдан аз тұрақты. Алмазды өнеркәсіпте кесу, бұрғылау (бұрғы ұштары), ұнтақтау (алмаз қырлы кескіштер) және жылтырату үшін кеңінен қолданады. Бұл технологияларда алмазды қолдану үшін көбінесе үлкен алмаздар қажет болмайды, ал асыл тас сапасы жоқ алмаздардың көп бөлігі өнеркәсіптік мақсаттарда қолданылады. Алмаз бұрғы ұштарына және ара тістеріне енгізіледі немесе ұнтақтау және жылтырату процестерінде қолдану үшін ұнтаққа айналдырылады (оның ерекше қаттылығына байланысты). Арнайы қолданыстарға зертханаларда жоғары қысымды эксперименттер үшін контейнер ретінде пайдалану (алмаз намысын қараңыз), жоғары өнімді подшипниктер және техникалық құралдардың арнайы терезелері кіреді. Өнеркәсіптік сападағы алмаз нарығы асыл тастар нарығынан өте өзгеше. Өнеркәсіптік алмаздар көбінесе олардың қаттылығы мен жылу өткізгіштігі үшін бағаланады, сондықтан алмастың айқындығы мен түсі сияқты гемологиялық сипаттамалары көбінесе маңызсыз болады. Бұл 80% өндірілген алмаздың (жыл сайын шамамен 100 миллион карат немесе 20 тонна) асыл тас ретінде пайдалануға жарамсыз екенін және өнеркәсіптік мақсаттарға бағытталғанын түсіндіруге көмектеседі. Табиғи алмаздардан басқа, синтетикалық алмаздар 1950 жылдары ойлап табылғаннан кейін бірден өнеркәсіптік қолданысқа енді; өнеркәсіптік қолдану үшін жылына тағы 400 миллион карат (80 тонна) синтетикалық алмаз өндіріледі, бұл сол кезеңде өндірілген табиғи алмаздың массасынан шамамен төрт есе көп. Синтетикалық алмаз өндірісіндегі үнемі жетістіктер болашақта оның қолданылу аясын кеңейтуге мүмкіндік береді. Көп қызығушылықты алмасты микрочиптер жасауға жарамды жартылай өткізгіш ретінде пайдалану немесе электроникада алмасты жылуды тарату құрылымы ретінде қолдану мүмкіндігі тудырып отыр. Жапония, Еуропа және АҚШ-та алмаздың ерекше материалдық қасиеттерін пайдалану үшін, сондай-ақ синтетикалық алмаз өндірушілерден сапасы мен саны артып келе жатқандықтан, маңызды зерттеу жұмыстары жүргізілуде.

Diamond is a well known allotrope of carbon. The hardness, extremely high refractive index, and high dispersion of light make diamond useful for industrial applications and for jewelry. Diamond is the hardest known natural mineral. This makes it an excellent abrasive and makes it hold polish and luster extremely well. No known naturally occurring substance can cut or scratch diamond, except another diamond. In diamond form, carbon is one of the costliest elements. The crystal structure of diamond is a face centered cubic lattice having eight atoms per unit cell to form a diamond cubic structure. Each carbon atom is covalently bonded to four other carbons in a tetrahedral geometry. These tetrahedrons together form a 3 dimensional network of six membered carbon rings in the chair conformation, allowing for zero bond angle strain. The bonding occurs through sp3 hybridized orbitals to give a C C bond length of 154 pm. This network of unstrained covalent bonds makes diamond extremely strong. Diamond is thermodynamically less stable than graphite at pressures below 1.7. The dominant industrial use of diamond is cutting, drilling (drill bits), grinding (diamond edged cutters), and polishing. Most uses of diamonds in these technologies do not require large diamonds, and most diamonds that are not gem quality can find an industrial use. Diamonds are embedded in drill tips and saw blades or ground into a powder for use in grinding and polishing applications (due to its extraordinary hardness). Specialized applications include use in laboratories as containment for high pressure experiments (see diamond anvil), high performance bearings, and specialized windows of technical apparatuses. The market for industrial grade diamonds operates much differently from its gem grade counterpart. Industrial diamonds are valued mostly for their hardness and heat conductivity, making many of the gemological characteristics of diamond, including clarity and color, mostly irrelevant. This helps explain why 80% of mined diamonds (equal to about 100 million carats or 20 tonnes annually) are unsuitable for use as gemstones and known as bort, are destined for industrial use. In addition to mined diamonds, synthetic diamonds found industrial applications almost immediately after their invention in the 1950s; another 400 million carats (80 tonnes) of synthetic diamonds are produced annually for industrial use, which is nearly four times the mass of natural diamonds mined over the same period. With the continuing advances being made in the production of synthetic diamond, future applications are beginning to become feasible. Garnering much excitement is the possible use of diamond as a semiconductor suitable to build microchips from, or the use of diamond as a heat sink in electronics. Significant research efforts in Japan, Europe, and the United States are under way to capitalize on the potential offered by diamond's unique material properties, combined with increased quality and quantity of supply starting to become available from synthetic diamond manufacturers.

Графит

1789 жылы Абрахам Готтлоб Вернер грек тіліндегі γράφειν (graphein, "сурет салу/жазу", қарындашпен жазу үшін) деген сөзінен аталған графит – көміртегінің ең көп таралған аллотроптарының бірі. Алмастан өзгеше, графит электр тогын өткізеді. Сондықтан, оны мысалы, электр доғалы шамдардың электродтарында қолдануға болады. Сонымен қатар, стандартты жағдайда графит көміртегінің ең тұрақты түрі болып табылады. Осы себепті термохимияда көміртектің қосылыстарының түзілу жылуын анықтау үшін стандартты күй ретінде қолданылады. Графит электр тогын өткізеді, себебі көміртек атомдарының жазықтықтарының үстінде және астындағы пи-байланыс электрондарының кеңейтілуі (делокализациясы) байқалады. Бұл электрондар еркін қозғалады, сондықтан электр тогын өткізе алады. Дегенмен, электр тогы тек қабаттардың жазықтығы бойымен ғана жүреді. Алмаста әрбір көміртек атомының сыртқы төрт электроны ковалентті байланыста атомдар арасында "орналасқан" (жергіліктіленген). Электрондардың қозғалысы шектелген, сондықтан алмаз электр тогын өткізбейді. Графитте әрбір көміртек атомы өзінің сыртқы энергия деңгейіндегі төрт электронының тек үшеуін жазықтықтағы басқа үш көміртек атомымен ковалентті байланысқа пайдаланады. Әр көміртек атомы химиялық байланыстың бір бөлігі болып табылатын электрондардың кеңейтілген (делокальданған) жүйесіне бір электронды қосады. Бұл электрондар жазықтықта еркін қозғалады. Осы себепті графит көміртек атомдарының жазықтығы бойымен электр тогын өткізеді, бірақ жазықтыққа перпендикуляр бағытта өткізбейді. Графит ұнтағы құрғақ майлау ретінде қолданылады. Бұл маңызды өнеркәсіптік қасиет құрылымдағы қабаттар арасындағы байланыстың әлсіздігінен туындаған деп есептелсе де, шындығында вакуум ортасында (мысалы, ғарыш технологияларында) графит нашар майлаушы зат болып табылған. Бұл факт графиттің майлану қасиетінің қабаттар арасындағы адсорбцияланған ауа мен суға байланысты екенін көрсетті, бұл молибден дисульфиді сияқты басқа қабатты құрғақ майлау материалдарынан өзгеше. Жақындағы зерттеулер көрсеткендей, супермайлану деп аталатын эффект те осы қасиетті түсіндіруге көмектеседі. Көптеген кристаллографиялық ақаулар (физикалық) жазықтықтарды байланыстырғанда, графит майлау қасиеттерін жоғалтады және қанмен жанасатын имплантаттарда қолданылатын пайдалы материал – пиролиттік көміртегіге айналады, мысалы, жасанды жүрек клапандары. Графит – көміртегінің ең тұрақты аллотропы. Көпшілік пікірдің қарамастан, жоғары тазалықтағы графит тіпті жоғары температурада да тез жанбайды. Осы себепті ол ядролық реакторларда және металдарды балқытуға арналған жоғары температуралы тигельдерде қолданылады. Өте жоғары температура мен қысымда (шамамен 2000 °C және 5 GPa) ол алмазға айналуы мүмкін. Табиғи және кристалдық графиттер олардың жарылу жазықтығы, хруптылығы және тұрақсыз механикалық қасиеттеріне байланысты құрылыс материалдары ретінде таза күйде жиі қолданылмайды. Оның таза шыны тәрізді (изотроптық) синтетикалық формалары – пиролиттік графит және көміртек талшықты графит өте мықты, жылуға төзімді (3000 °C) материалдар болып табылады және зымыран мұрыншаларының қорғаныш қаптамаларында, қатты отынды ракета қозғалтқыштарында, жоғары температуралы реакторларда, тежегіш аяқ киімдерде және электр моторларының щеткаларында қолданылады. Өрт сөндіру есіктерінің периметріне орнатылған өртке қарсы тығыздағыштарда кеңейтілетін (интуместентті) графиттер қолданылады. Өрт кезінде графит кеңейіп, күйіп, өрттің таралуын және түтіннің шығуын болдырмау үшін отқа қарсы кедергі жасайды. Типик бастапқы кеңею температурасы (SET) 150-300 °C аралығында болады. Графиттің меншікті салмағы 2,3-ке тең, бұл оны алмастан жеңіл етеді. Графит алмастан сәл реактивтірек. Бұл себебі реакцияға түсетін заттар графиттегі көміртек атомдарының гексагонды қабаттары арасына енуі мүмкін. Оған әдеттегі еріткіштер, сұйылтылған қышқылдар немесе балқыған сілтілер әсер етпейді. Алайда, хром қышқылы оны көмірқышқыл газына дейін тотықтырады.

Graphite, named by Abraham Gottlob Werner in 1789, from the Greek γράφειν (graphein, "to draw/write", for its use in pencils) is one of the most common allotropes of carbon. Unlike diamond, graphite is an electrical conductor. Thus, it can be used in, for instance, electrical arc lamp electrodes. Likewise, under standard conditions, graphite is the most stable form of carbon. Therefore, it is used in thermochemistry as the standard state for defining the heat of formation of carbon compounds. Graphite conducts electricity, due to delocalization of the pi bond electrons above and below the planes of the carbon atoms. These electrons are free to move, so are able to conduct electricity. However, the electricity is only conducted along the plane of the layers. In diamond, all four outer electrons of each carbon atom are 'localized' between the atoms in covalent bonding. The movement of electrons is restricted and diamond does not conduct an electric current. In graphite, each carbon atom uses only 3 of its 4 outer energy level electrons in covalently bonding to three other carbon atoms in a plane. Each carbon atom contributes one electron to a delocalized system of electrons that is also a part of the chemical bonding. The delocalized electrons are free to move throughout the plane. For this reason, graphite conducts electricity along the planes of carbon atoms, but does not conduct electricity in a direction at right angles to the plane. Graphite powder is used as a dry lubricant. Although it might be thought that this industrially important property is due entirely to the loose interlamellar coupling between sheets in the structure, in fact in a vacuum environment (such as in technologies for use in space), graphite was found to be a very poor lubricant. This fact led to the discovery that graphite's lubricity is due to adsorbed air and water between the layers, unlike other layered dry lubricants such as molybdenum disulfide. Recent studies suggest that an effect called superlubricity can also account for this effect. When a large number of crystallographic defects (physical) bind these planes together, graphite loses its lubrication properties and becomes pyrolytic carbon, a useful material in blood contacting implants such as prosthetic heart valves. Graphite is the most stable allotrope of carbon. Contrary to popular belief, high purity graphite does not readily burn, even at elevated temperatures. For this reason, it is used in nuclear reactors and for high temperature crucibles for melting metals. At very high temperatures and pressures (roughly 2000 °C and 5 GPa), it can be transformed into diamond. Natural and crystalline graphites are not often used in pure form as structural materials due to their shear planes, brittleness and inconsistent mechanical properties. In its pure glassy (isotropic) synthetic forms, pyrolytic graphite and carbon fiber graphite are extremely strong, heat resistant (to 3000 °C) materials, used in reentry shields for missile nosecones, solid rocket engines, high temperature reactors, brake shoes and electric motor brushes. Intumescent or expandable graphites are used in fire seals, fitted around the perimeter of a fire door. During a fire the graphite intumesces (expands and chars) to resist fire penetration and prevent the spread of fumes. A typical start expansion temperature (SET) is between 150 and 300 °C. Graphite's specific gravity is 2.3, which makes it less dense than diamond. Graphite is slightly more reactive than diamond. This is because the reactants are able to penetrate between the hexagonal layers of carbon atoms in graphite. It is unaffected by ordinary solvents, dilute acids, or fused alkalis. However, chromic acid oxidizes it to carbon dioxide.

Графен

Графиттің бір қабаты графен деп аталады және ерекше электрлік, жылулық және физикалық қасиеттерге ие. Оны оқшаулағыш немесе өткізгіш негізге эпитаксия арқылы немесе графиттен механикалық қабыршақтау (қайталап қабыршақтау) арқылы жасауға болады. Оның қолданылуы жоғары өнімді электрондық құрылғыларда кремнийді алмастыру мүмкіндігін қамтиды. Екі қабаттап қойылғанда, екі қабатты графен пайда болады, ол басқаша қасиеттерге ие.

Лонсдейл (алты бұрышты алмаз)

Лонсдейлит – жер бетіне шапқан метеориттерде кездесетін графиттен пайда болатын аллотроп, кейде "алтыбұрышты алмаз" деп аталады. Соққының қатты қызуы мен қысымы графитті алмазға ұқсас, бірақ графиттің алтыбұрышты кристалдық торы сақталған тығыз формаға айналдырады. "Алтыбұрышты алмазды" зертханада графитті статикалық пресспен қысып, қыздыру арқылы немесе жарылғыш заттарды пайдалану арқылы синтездеуге болады. Сонымен қатар, ол полимер – поли(гидридкарбин)ді атмосфералық қысымда, инертті газ атмосферасында (мысалы, аргон, азот) белгілі бір температурадан бастап термиялық ыдырату арқылы да өндірілуі мүмкін.

Графенилен

Графенилен – гексагональды тор құрылымында бифениленге ұқсас кішібірліктер негіз ретінде болатын бір қабатты көміртек материалы. Ол бифенилен көміртегі деп те аталады.

Карбофен

Карбофен – 2 өлшемді ковалентті органикалық құрылым. 4-6 карбофені 1,3,5-тригидроксибензолдан синтездеуге қол жеткізілді. Ол 1:1 қатынаста 4 және 6 көміртек сақиналарынан тұрады. Орбитальдардың үш σ байланысы арасындағы бұрыштар шамамен 120°, 90° және 150° құрайды.

АА'-графит

АА' графиті – графитке ұқсас көміртектің аллотроптық түрі, бірақ оның қабаттары графиттегідей ретпен орналаспай, бір-біріне қатысты басқаша орналасқан.

Диаман

Диаман 2D формасы болып табылады. Оны жоғары қысым арқылы жасауға болады, бірақ қысым болмаған жағдайда материал графенге қайта айналады. Тағы бір әдіс – сутек атомдарын қосу, бірақ олардың байланыстары нашар. Фторды (ксенон дифторидін) пайдалану қабаттарды жақындатып, байланыстарды күшейтеді. Бұл ф-диаман деп аталады.

Аморфты көміртек

Аморфты көміртек – кристалдық құрылымы жоқ көміртекке берілген атау. Барлық шыны тәрізді материалдарда сияқты, қысқа мерзімді реттелуді байқауға болады, бірақ атомдардың орналасуында ұзақ мерзімді үлгі жоқ. Толығымен аморфты көміртек өндіру мүмкін болғанымен, көптеген аморфты көміртектер графит немесе тіпті алмазға ұқсас көміртек микрокристалдарын қамтиды. Көмір, күйе және карбон қарасы бұлжыңда аморфты көміртек деп аталады. Дегенмен, олар пиролиз (қыздыру арқылы затты ыдырату процесі) өнімдері болып табылады, және бұл процесте қалыпты жағдайларда нағыз аморфты көміртек пайда болмайды.

Бакминстерфуллерендер

Бакминстерфуллерендер, немесе көбінесе фуллерендер деп аталатын, немесе қысқаша «букиболдар» 1985 жылы Райс университеті мен Сассекс университетінің ғалымдар тобы тарапынан ашылды, олардың үшеуі 1996 жылы химия саласындағы Нобель сыйлығымен марапатталды. Олар Ричард Бакминстер "Бакки" Фуллер жасаған геодезиялық құрылымдарға ұқсас болғандықтан осылай аталды. Фуллерендер – толығымен көміртектен тұратын, әр түрлі өлшемдегі, қуыс сфера, эллипсоид немесе түтік пішінін алатын оң қисық молекулалар (C60 түрі дәстүрлі тігілген футбол добының пішінімен бірдей). ХХІ ғасырдың басында фуллерендердің химиялық және физикалық қасиеттері таза және қолданбалы зертханаларда жан-жақты зерттелуде. 2003 жылдың сәуір айында фуллерендердің медициналық қолданылу мүмкіндігі зерттелді – құрылымға белгілі бір антибиотиктерді байланыстыру арқылы резистентті бактерияларды және тіпті меланома сияқты кейбір қатерлі жасушаларды жоюға бағытталды.

Көміртекті нанотүтіктер

Көміртек нанотүтіктері, сондай-ақ бакитүтіктер деп те аталады, – жаңа қасиеттері бар цилиндр тәрізді көміртек молекулалары. Олар наноэлектроника, оптика, материалтану сияқты кең ауқымды қолданыстарда пайдалы болуы мүмкін. Олардың өте жоғары беріктігі, ерекше электрлік қасиеттері бар және жылуды тиімді өткізеді. Көміртекті емес нанотүтіктер де синтезделген. Көміртек нанотүтіктер – фуллерен құрылымдық отбасының мүшелері, оған бакиболдар да кіреді. Баккиболдар шар тәрізді болса, нанотүтік цилиндр тәрізді болады, әдетте, оның кемінде бір ұшы бакибол құрылымының жарты шар пішімімен жабылады. Олардың атауы олардың мөлшерімен байланысты: нанотүтіктердің диаметрі бірнеше нанометрге (адам шашының енінен шамамен 50 000 есе кішкентай) жетеді, ал ұзындығы бірнеше сантиметрге дейін созылуы мүмкін. Нанотүтіктердің екі негізгі түрі бар: бір қабырғалы нанотүтіктер (SWNT) және көп қабырғалы нанотүтіктер (MWNT).

Көміртекті нанобұдырлар

Көміртек наноқұбыршалары – көміртектің жаңадан ашылған аллотропты түрі, онда фуллеренге ұқсас "бүршіктер" көміртек наноқұбыршаларының сыртқы қабырғаларына ковалентті байланыс арқылы бекітіледі. Бұл гибридтік материал фуллерендер мен көміртек наноқұбыршаларының қасиеттерін біріктіреді. Мысалы, олар өте жақсы далалық эмитерлер екені анықталды.

Шварциттер

Шварциттер – бастапқыда көміртек атомдарымен үш рет периодты минималды беттерді әшекейлеу арқылы ұсынылған, теріс иілген көміртек беттері. Құрылымның геометриялық топологиясы графеннің алтыбұрышты торларына гептагон және октагон сияқты сақиналық ақаулардың болуымен анықталады. (Теріс қисықтық, сфера сияқты ішке қарай емес, сыртқа қарай иіледі, мысалы, аттың мұңға батқан түрі сияқты.) Жақындағы зерттеулер зеолит үлгілі көміртектердің (ZTC) шварциттер болуы мүмкін екенін көрсетті. ZTC атауы олардың зеолиттердің – кристалды кремний диоксиді минералдарының – ішкі кеңістіктерінде пайда болуынан шыққан. Көмiртек молекулаларынан тұратын бу зеолитке жіберіледі, онда көміртек тесіктердің қабырғаларында жиналып, теріс қисықтықты құрайды. Зеолитті еріту көміртекті қалдырады. Бір команда Монте-Карло әдісі арқылы зеолиттің тесіктерін көміртекпен әшекейлеп, құрылымдар жасады. Нәтижесінде алынған кейбір модельдер шварцитке ұқсас құрылымдарға еліктейді.

Шыны тәрізді көміртек

Шыны тәрізді көміртек – электрохимияда электрод материалы ретінде, сондай-ақ жоғары температурадағы тостағандар (тигельдер) және кейбір протездік құрылғылардың құрамдас бөлігі ретінде кеңінен қолданылатын, графиттенбейтін көміртек класы. Оны алғаш рет 1950 жылдардың ортасында Бернард Редферн Ұлыбританияның Манчестер қаласындағы The Carborundum Company зертханасында жасаған. Ол алмаз құрылымын қайталайтын полимерлік матрицаны жасауды көздеп, ерекше дайындамамен катализаторсыз бекітілетін резольді (фенолды) шайырды тапты. Осы шайырды пайдаланып, алғашқы шыны тәрізді көміртек өндірілді. Шыны тәрізді көміртек дайындау үшін органикалық прекурсорлар 3000 °C дейін қыздырылатын бірнеше жылулық өңдеуден өтеді. Көптеген графиттенбейтін көміртектерден өзгеше, олар газдарды өткізбейді және химиялық тұрғыдан өте инертті, әсіресе жоғары температурада дайындалғандары. Кейбір шыны тәрізді көміртектердің оттегі, көмірқышқыл газы немесе су буындағы тотығу жылдамдығы басқа кез келген көміртекке қарағанда төмен екені дәлелденді. Олар сондай-ақ қышқылдарға шабуылға өте төзімді. Демек, егер қалыпты графит бөлме температурасында концентрленген күкірт және азот қышқылдарының қоспасымен ұнтаққа айналса, шыны тәрізді көміртек бірнеше айдан кейін де мұндай өңдеуге ұшырамайды.

Көміртекті наноқойма

Көміртек наноқоры – көміртегінің бесінші белгілі аллотропты түрі, ол 1997 жылы Андрей В. Род және Канберрадағы Австралия Ұлттық университетіндегі оның әріптестері тарапынан ашылған. Ол төмен тығыздықтағы көміртек атомдарының жиынтығынан тұрады, олар кеңістікте үш өлшемді, бос торға тізілген. Әрбір кластердің ені шамамен 6 нанометрге жетеді және тұрақты алтыбұрышты үлгіге гептагон қосылу арқылы теріс қисықтыққа ие болған, графит тәрізді қабаттарда байланысқан 4000-ге жуық көміртек атомынан құралған. Бұл Бакминстерфуллерендердегі жағдайдың керісінше, онда көміртек қабаттарына пентагон қосылу арқылы оң қисықтық беріледі. Көміртек наноқорының макроскопиялық құрылымы аэрогельге ұқсас, бірақ бұрын жасалған көміртекті аэрогельдердің тығыздығының 1% құрайды – теңіз деңгейіндегі ауа тығыздығынан бірнеше есе ғана жоғары. Көміртекті аэрогельдерден өзгеше, көміртек наноқоры нашар электрөткізгіш.

Карбидтен алынған көміртек

Карбидтен алынған көміртек (CDC) – TiC, SiC, Ti3AlC2, Mo2C сияқты металл карбидтерінен металдарды іріктеу арқылы өндірілетін, әртүрлі бет геометриясы мен көміртектің реттілігіне ие көміртек материалдарының тобы. Бұл синтез хлормен өңдеу, гидротермальдық синтез немесе вакуумда жоғары температурада металлдардың іріктеп десорбциялануы арқылы жүзеге асырылады. Синтез әдісіне, карбид прекурсорына және реакция параметрлеріне байланысты, негізінен аморфты көміртектен тұратын эндогедралды бөлшектер, көміртек нанотүтікшелер, эпитаксиялық графен, нанокристалды алмаз, пияз тәрізді көміртек, сондай-ақ графитті ленталар, цилиндрлер және мүйіздер сияқты бірнеше көміртек аллотроптарына қол жеткізуге болады. Бұл құрылымдар жоғары кеуектілікке және ерекше беттік аудандарға ие, тесік диаметрлерін жақсартуға болады, бұл оларды суперконденсаторларға негізделген энергия сақтау, суды сүзгілеу және сыйымдылықты тұзсыздандыру, катализаторларды қолдау және цитокиндерді жою үшін перспективті материалдар етеді. SiC немесе CH3SiCl3 пен CF4 арасындағы реакциялардан кейбіреулері алмазға ұқсас болатын басқа да метастабильді көміртек фазалары алынған.

Сызықтық ацетиленді көміртек

—(C≡C)n— құрылымы бар бір өлшемді көміртек полимері. Оның құрылымы аморфты көміртекке едәуір ұқсас.

Циклокарбондар

Цикло[18]көміртек (C18) 2019 жылы синтезделді.

Басқа мүмкін аллотроптар

Көптеген басқа аллотроптар болжамдалған, бірақ әлі синтезделмеген. bcc көміртек: 1000 ГПа-дан жоғары ультра жоғары қысымда алмас денеге бағытталған кубикалық құрылымға айналады деп болжанады. Бұл фаза астрофизикада және Уран мен Нептун сияқты планеталардың терең ішкі бөлігінде маңызды. Әр түрлі құрылымдар ұсынылды. Бұл фазаға ұқсас аса тығыз және аса қатты материал 1979 жылы синтезделіп жарияланды және ол Im кеңістіктік тобына 8 атомды примитивті жасушаға (16 атомды кәдімгі жасушаға) ие деп мәлімделді. Имм кеңістіктік тобындағы кубанға ұқсас сегіз көміртек кубты, примитивті жасушасына сегіз атомды немесе дәстүрлі жасушасына 16 атомды (сонымен қатар суперкубан деп аталады, оң жақтағы суретті қараңыз) синтезделгенін мәлімдеді. Бірақ 1988 жылы шыққан бір мақалада құрылымы силиконның аллотропы Si III немесе γ силиконның құрылымымен бірдей екендігі айтылды, яғни BC8 құрылымымен, Iа кеңістіктік тобымен және 8 атоммен примитивті жасушаға (16 атомға жасушаға). 2008 жылы кубалық құрылымның анықталғаны туралы хабарланды. 2012 жылы шыққан мақалада төрт ұсынылған құрылым қарастырылды: суперкубандар құрылымы, BC8 құрылымы, I3m кеңістіктегі тетраэдрдегі төрт көміртек атомының кластерлері бар, әрбір примитивті жасушасына төрт атом (қалыпты жасушасына сегіз) және авторлар "көміртек содалиті" деп атаған құрылым. Олар бұл көміртек содалиті құрылымының пайдасына тапты, оның есептелген тығыздығы 2.927 г/см³, ол суреттің жоғарғы сол жағында көрсетілген. Бұл құрылымда бастапқы жасушаға шаққанда алты атом бар (әдеттегі жасушаға он екі). Көміртек атомдары минералдық содалиттің кремний және алюминий атомдарымен бірдей орналасады. Кеңістік тобы, I3m, содалит толық кеңейтілген формасы содалитте тек кремний немесе тек алюминий болса, содалитке тең. bct көміртек: Денені ортаға салған тетрагональды көміртекті теоретиктер 2010 жылы ұсынды. Хаоит - метеорит соққысынан пайда болған деп есептелетін минерал. Ол графиттен сәл қаттырақ және сұрдан аққа дейінгі рефлексиялық түске ие деп сипатталған. Алайда, карбинолық фазалардың бар екендігіне дау туды. D көміртек: D көміртек 2018 жылы теориялық тұрғыдан ұсынылды. D көміртек - орторомбтық sp³ көміртек аллотропы (бір жасушаға 6 атом). Жалпы энергия есептеулері D көміртек бұрын ұсынылған T6 құрылымынан (әр жасушаға 6 атом) және басқаларға қарағанда энергия жағынан қолайлы екенін көрсетеді. Геккелиттер: Пентагон, гексагон және гектагонның реттелген орналасуы, олар жазық немесе түтікше болуы мүмкін. Лавес графы немесе К4 кристалы - теориялық болжалған үш өлшемді кристалды метастабильді көміртек құрылымы, онда әрбір көміртек атомы 120° бұрышта (графит сияқты) басқа үш атомға байланысады, бірақ көрші қабаттардың байланыс жазықтықтары 70.5° бұрышта емес, бір-бірімен сәйкес келеді. M көміртек: Моноклиникалық C-орталықтағы көміртек алғаш рет 1963 жылы графитті бөлме температурасында қысыу арқылы жасалды деп есептеледі. Оның құрылымы 2006 жылы теорияға негізделген, содан кейін 2009 жылы ол сол тәжірибелік байқаулармен байланысты болды. Көптеген құрылымдық кандидаттар, соның ішінде bct көміртегі, сол кездегі тәжірибелік деректермен бірдей үйлесімді болуы ұсынылды, 2012 жылы бұл құрылымның кинетикалық жағынан графиттен қалыптасу ықтималдығы теориялық түрде көрсетілді. Көп ұзамай жоғары ажыратылатын деректер пайда болды, бұл барлық құрылым кандидаттарының арасында тек M көміртегі ғана тәжірибемен үйлесімді екенін көрсетті. Металл көміртек: Теориялық зерттеулер фазалық диаграммада өте жоғары қысымда көміртектің металл сипаты бар аймақтар бар екенін көрсетті. Лазерлік шок эксперименттері мен теориясы 600 ГПа-дан жоғары сұйық көміртек металл екенін көрсетеді. Новамен: графендегідей алты бұрышты алмастың және sp² алты бұрышты элементтердің бірігуі. Фаграфен: Дирактың бұрмаланған конустары бар аллотроп тәрізді графен. Призма C8 - теориялық түрде болжалған метастабильді көміртек аллотробы, ол сегіз көміртек атомынан тұратын атомдық кластерден тұрады, ұзын үшбұрышты бипирамида пішіні бар, алты атомды үшбұрышты призма, оның негіздерінің үстінде және астында тағы екі атом бар. Протомен: 48 атомнан тұратын толық жеңілдетілген примитивті жасушасы бар алты бұрышты кристаллдық құрылым. Олардың ішінде 12 атом sp² және sp³ гибридтер арасында гибридтілікті ауыстырып, димерлерді қалыптастырады. Q көміртек: Ферромагниттік көміртек 2015 жылы ашылды. T көміртек: Алмастағы әрбір көміртек атомы көміртек тетраэдрімен алмастырылған (сондықтан 'T көміртек'). Бұл 1985 жылы теоретиктер ұсынды. Әлемдегі ең ірісі, BPM 37093, Центавр шоқжұлдызында орналасқан, ақ ергежейтұлпарлардың ядросы кристалдаған көміртек және оттектен тұрады деген дәлелдер бар. Гарвард-Смитсониан астрофизикалық орталығының жаңалықтарында 4023 км (2500 миль) ені бар жұлдыз ядросы алмаз деп сипатталды және ол Beatles әні "Lucy in the Sky With Diamonds" атымен Lucy деп аталды; бірақ, бұл экзотикалық көміртек түрі болуы мүмкін. Пентаграфен - болжамдалған көміртек аллотропы, ол Каир пентагональ плиткасын пайдаланады. U көміртек: толқынды қабаттардан тұрады деп болжанады, олар алты немесе 12 атомдық сақиналармен плиткаланған, ковалентті байланыстармен байланысқан. Ерекше ескертілгені, ол болаттан мықтырақ, тоттанбас болаттан өткізгіш, жоғары рефлективті және ферромагниттік, 125 °C температураға дейін тұрақты магнит ретінде әрекет етеді. Зайдена: сызықтық sp көміртек тізбектері мен sp³ көлемді көміртектерінің бірігуі. Бұл кристалды көміртек аллотроптарының құрылымы гексагональ алмаз (лонсдалит) ішіндегі цилиндрлік қуыстарға енгізілген sp тізбектерінен тұрады.

Many other allotropes have been hypothesized but have yet to be synthesized. bcc carbon: At ultrahigh pressures of above 1000 GPa, diamond is predicted to transform into a body centered cubic structure. This phase has importance in astrophysics and deep interiors of planets like Uranus and Neptune. Various structures have been proposed. Superdense and superhard material resembling this phase was synthesized and published in 1979 and reported to have the Im space group with eight atoms per primitive unit cell (16 atoms per conventional unit cell). Claims were made that the so called C structure had been synthesized, having eight carbon cubes similar to cubane in the Imm space group, with eight atoms per primitive unit cell, or 16 atoms per conventional unit cell (also called supercubane, see illustration to the right). But a paper in 1988 claimed that a better theory was that the structure was the same as that of an allotrope of silicon called Si III or γ silicon, the so called BC8 structure with space group Ia and 8 atoms per primitive unit cell (16 atoms per conventional unit cell). In 2008 it was reported that the cubane like structure had been identified. A paper in 2012 considered four proposed structures, the supercubane structure, the BC8 structure, a structure with clusters of four carbon atoms in tetrahedra in space group I3m having four atoms per primitive unit cell (eight per conventional unit cell), and a structure the authors called "carbon sodalite". They found in favor of this carbon sodalite structure, with a calculated density of 2.927 g/cm, shown in the upper left of the illustration under the abstract. This structure has just six atoms per primitive unit cell (twelve per conventional unit cell). The carbon atoms are in the same locations as the silicon and aluminum atoms of the mineral sodalite. The space group, I3m, is the same as the fully expanded form of sodalite would have if sodalite had just silicon or just aluminum. bct carbon: Body centered tetragonal carbon was proposed by theorists in 2010. Chaoite is a mineral believed to have been formed in meteorite impacts. It has been described as slightly harder than graphite with a reflection color of grey to white. However, the existence of carbyne phases is disputed – see the article on chaoite for details. D carbon: D carbon was proposed by theorists in 2018. D carbon is an orthorhombic sp3 carbon allotrope (6 atoms per cell). Total energy calculations demonstrate that D carbon is energetically more favorable than the previously proposed T6 structure (with 6 atoms per cell) as well as many others. Haeckelites: Ordered arrangements of pentagons, hexagons, and heptagons which can either be flat or tubular. The Laves graph or K4 crystal is a theoretically predicted three dimensional crystalline metastable carbon structure in which each carbon atom is bonded to three others, at 120° angles (like graphite), but where the bond planes of adjacent layers lie at an angle of 70.5°, rather than coinciding. M carbon: Monoclinic C centered carbon is thought to have been first created in 1963 by compressing graphite at room temperature. Its structure was theorized in 2006, then in 2009 it was related to those experimental observations. Many structural candidates, including bct carbon, were proposed to be equally compatible with experimental data available at the time, until in 2012 it was shown theoretically that this structure is kinetically the most likely to form from graphite. High resolution data appeared shortly after, demonstrating that among all structure candidates only M carbon is compatible with experiment. Metallic carbon: Theoretical studies have shown that there are regions in the phase diagram, at extremely high pressures, where carbon has metallic character. Laser shock experiments and theory indicate that above 600 GPa liquid carbon is metallic. Novamene: A combination of both hexagonal diamond and sp2 hexagons as in graphene. Phagraphene: Graphene like allotrope with distorted Dirac cones. Prismane C8 is a theoretically predicted metastable carbon allotrope comprising an atomic cluster of eight carbon atoms, with the shape of an elongated triangular bipyramid—a six atom triangular prism with two more atoms above and below its bases. Protomene: A hexagonal crystal structure with a fully relaxed primitive cell involving 48 atoms. Out of these, 12 atoms have the potential to switch hybridization between sp2 and sp3, forming dimers. Q carbon: Ferromagnetic carbon was discovered in 2015. T carbon: Every carbon atom in diamond is replaced with a carbon tetrahedron (hence 'T carbon'). This was proposed by theorists in 1985. There is evidence that white dwarf stars have a core of crystallized carbon and oxygen nuclei. The largest of these found in the universe so far, BPM 37093, is located away in the constellation Centaurus. A news release from the Harvard Smithsonian Center for Astrophysics described the 2500 mile (4023 km) wide stellar core as a diamond, and it was named as Lucy, after the Beatles' song "Lucy in the Sky With Diamonds"; however, it is more likely an exotic form of carbon. Penta graphene is a predicted carbon allotrope that utilizes the Cairo pentagonal tiling. U carbon is predicted to consist of corrugated layers tiled with six or 12 atom rings, linked by covalent bonds. Notably, it can be harder than steel, as conductive as stainless steel, highly reflective and ferromagnetic, behaving as a permanent magnet at temperatures up to 125 °C. Zayedene: A combination of linear sp carbon chains and sp3 bulk carbon. The structure of these crystalline carbon allotropes consists of sp chains inserted in cylindrical cavities periodically arranged in hexagonal diamond (lonsdaleite).