Введение

Пиролитический углерод – это материал, подобный графиту, но с некоторой ковалентной связью между его графеновыми слоями, возникающей из-за дефектов при производстве. Пиролитический углерод – это искусственно созданное вещество, которое, как считается, не встречается в природе. Обычно его получают путем нагрева углеводорода почти до температуры разложения с последующей кристаллизацией графита (пиролизом). Один из методов – нагрев синтетических волокон в вакууме. Он применяется в высокотемпературных областях, таких как конусы носовых частей ракет, ракетные двигатели, теплозащитные экраны, лабораторные печи, в композитах на основе графита, для покрытия частиц ядерного топлива и в биомедицинских протезах.

Физические свойства

У образцов пиролитического графита обычно имеется одна плоскость спайности, подобно слюде, поскольку графеновые слои кристаллизуются в плотном порядке, в отличие от пиролитического углерода, который формирует микроскопические зоны случайной ориентации. Благодаря этому пиролитический графит демонстрирует ряд необычных анизотропных свойств. Его теплопроводность вдоль плоскости спайности выше, чем у пиролитического углерода, что делает его одним из лучших плоских теплопроводников. Пиролитический графит образует мозаичные кристаллы с контролируемой мозаичностью до нескольких градусов. Пиролитический графит также обладает большей диамагнитностью (χ = −4×10−4) относительно плоскости спайности, проявляя наибольший диамагнетизм (по массе) среди диамагнетиков, существующих при комнатной температуре. Для сравнения, относительная магнитная проницаемость пиролитического графита составляет 0,9996, а висмута – 0,9998 (см. таблицу).

Магнитная левитация

Небольшое количество материалов может стабильно магнитно левитировать над магнитным полем, создаваемым постоянным магнитом. Хотя магнитное отталкивание очевидно и легко достижимо между любыми двумя магнитами, форма поля приводит к тому, что верхний магнит отклоняется в сторону, а не остается в состоянии равновесия, что делает стабильную левитацию невозможной для магнитных объектов (см. теорему Эрншоу). Однако сильно диамагнитные материалы могут левитировать над мощными магнитами. Благодаря широкой доступности редкоземельных постоянных магнитов, разработанных в 1970-х и 1980-х годах, сильный диамагнетизм пиролитического графита делает его удобным материалом для демонстрации этого эффекта. В 2012 году исследовательская группа в Японии продемонстрировала, что пиролитический графит может реагировать на лазерный свет или достаточно интенсивный солнечный свет, вращаясь или перемещаясь в направлении градиента поля. Магнитная восприимчивость углерода уменьшается при достаточном освещении, что приводит к несбалансированной намагниченности материала и его движению при определенной геометрии.

Биомедицинские применения

Поскольку на этой поверхности нелегко образуются кровяные сгустки, часто рекомендуется покрывать этим материалом протезы, контактирующие с кровью, чтобы снизить риск тромбоза. Например, он используется в искусственных сердцах и искусственных сердечных клапанах. В отличие от этого, стенты для кровеносных сосудов часто покрывают полимером, содержащим гепарин в качестве боковой группы, полагаясь на лекарственное действие для предотвращения свертывания крови. Это связано, по крайней мере частично, с хрупкостью пиролитического углерода и значительной величиной необратимых деформаций, которым подвергается стент при расширении. Пиролитический углерод также используется в медицине для покрытия анатомически точных ортопедических имплантатов, также известных как эндопротезы суставов. В настоящее время он продается под названием "PyroCarbon". Эти имплантаты были одобрены Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) для использования в кисти руки при замене метакарпофалангеальных суставов (суставов пальцев). Их производят две компании: Tornier (BioProfile) и Ascension Orthopedics. 23 сентября 2011 года компания Integra LifeSciences приобрела Ascension Orthopedics. Имплантаты пиролитического углерода этой компании использовались для лечения пациентов с различными формами остеоартрита. В январе 2021 года компания Integra LifeSciences продала свой ортопедический бизнес компании Smith+Nephew за 240 миллионов долларов. FDA также одобрило межфаланговые суставные эндопротезы PyroCarbon в рамках программы Humanitarian Device Exemption.