Νέα μορφή πολύ σκληρού άνθρακα χαράζει ακόμα και διαμάντι

Επιστήμονες από τις ΗΠΑ και την Κίνα βρήκαν μια νέα μορφή κρυσταλλικού και ταυτόχρονα άμορφου άνθρακα που είναι ιδιαίτερα σκληρός και μπορεί να χαράξει ακόμα και το διαμάντι. Η ανακάλυψη μπορεί να έχει πρακτικές εφαρμογές σε διάφορες μηχανικές, ηλεκτρονικές και ηλεκτροχημικές χρήσεις.

Οι ερευνητές του επιστημονικού Ινστιτούτου Κάρνεγκι της Ουάσιγκτον, με επικεφαλής τον Λιν Γουάνγκ, που δημοσίευσαν τη σχετική μελέτη στο περιοδικό Science, δήλωσαν ότι δημιούργησαν έναν νέο τύπο άνθρακα, συγκρίσιμου με το διαμάντι, όσον αφορά τη δυσκολία να συμπιεστεί και τη σκληρότητά του. Το νέο υλικό, αφού δημιουργηθεί υπό πολύ υψηλή πίεση, στη συνέχεια είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικό σε φυσιολογικές συνθήκες, γι’ αυτό θα μπορούσε να αξιοποιηθεί σε πολλές πρακτικές εφαρμογές.

Ο άνθρακας είναι το τέταρτο πιο διαδεδομένο χημικό στοιχείο στο σύμπαν και συναντάται σε μια ποικιλία μορφών, μερικές από τις οποίες είναι πιο κοινές (όπως το κάρβουνο, ο γραφίτης στις μύτες των μολυβιών και το διαμάντι), ενώ άλλες είναι πιο "εξωτικές", όπως το γραφένιο, οι κυλινδρικοί νανοσωλήνες άνθρακα και το φουλλερένιο.

Ορισμένες μορφές άνθρακα είναι κρυσταλλικές, εμφανίζοντας μια οργανωμένη εσωτερική δομή, ενώ άλλες είναι άμορφες χωρίς κρυσταλλική δομή. Η νέα μορφή άνθρακα είναι υβριδική συνδυάζοντας τόσο κρυσταλλικά, όσο και άμορφα στοιχεία, κάτι που ποτέ έως τώρα δεν είχε παρατηρηθεί ή δημιουργηθεί.

Οι ερευνητές ξεκίνησαν με μόρια, τα οποία ονομάζονται "κλωβοί άνθρακα-60", που δημιουργούνται από άκρως δομημένες σφαίρες άνθρακα, αποτελούμενες από πενταγωνικούς και εξαγωνικούς δακτυλίους συνδεδεμένους μεταξύ τους, έτσι ώστε να σχηματίζεται ένα σφαιρικό κοίλο σχήμα. Στα κενά ανάμεσα στα σφαιρίδια αυτά προστέθηκε ένας οργανικός διαλύτης (ξυλόλιο), δημιουργώντας έτσι μια νέα δομή, η οποία υπέστη μεγάλες πιέσεις.

Τελικά, υπό την υψηλή πίεση (περίπου 320.000 φορές μεγαλύτερη από τη συνήθη πίεση στην επιφάνεια της Γης), η νέα δομή άρχισε να καταρρέει σε πιο άμορφα συμπλέγματα άνθρακα, που όμως παρέμειναν στις αρχικές θέσεις τους, σχηματίζοντας έτσι τη δομή ενός κρυσταλλικού πλέγματος. Αυτή η υβριδική (κρυσταλλική και ταυτόχρονα άμορφη) δομή άνθρακα αποδείχτηκε τόσο σκληρή που χάραξε το διαμαντένιο εργαλείο, το οποίο χρησιμοποιήθηκε για την άσκηση της πίεσης πάνω στο νέο υλικό. Το διαμάντι θεωρείται το πιο σκληρό υλικό στη φύση, πράγμα που οφείλεται στους πολύ ισχυρούς χημικούς δεσμούς ανάμεσα στα άτομα του άνθρακα που περιέχει.

Το νέο υλικό από άνθρακα έχει το πλεονέκτημα ότι δημιουργείται σε συνθήκες δωματίου, ενώ το συνθετικό διαμάντι σε υψηλή θερμοκρασία περίπου 1.500 βαθμών Κελσίου. Όμως μένει να αποδειχτεί κατά πόσο ο σκληρός άνθρακας μελλοντικά θα ανταγωνιστεί οικονομικά το διαμάντι σε πρακτικές εφαρμογές.

Πηγή : in.gr, με πληροφορίες από ΑΠΕ-ΜΠΕ

Αερογραφίτης : το ελαφρύτερο υλικό του κόσμου είναι ελαφρύτερο από τον αέρα

Είναι 5.000 φορές πιο ελαφρύ από το νερό και 6 φορές ελαφρύτερο από τον αέρα. Είναι επίσης κατάμαυρο, καλός αγωγός του ηλεκτρισμού και μπορεί να συμπιέζεται και να τεντώνεται χωρίς να χάνει το σχήμα του. Ποιο υλικό είναι ; Δεν θα μπορούσε να είναι τίποτα άλλο παρά "αερογραφίτης", το ελαφρύτερο υλικό του κόσμου σύμφωνα με τους δημιουργούς του.

Το παράξενο νέο υλικό αποτελείται από μικροσκοπικούς σωλήνες άνθρακα με πορώδη τοιχώματα, οι οποίοι σχηματίζουν ένα τρισδιάστατο πλέγμα στο επίπεδο των εκατομμυριοστών και δισεκατομμυριοστών του μέτρου.

Όπως αναφέρουν οι Γερμανοί δημιουργοί του στην επιθεώρηση Advanced Materials, o αερογραφίτης θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε ηλεκτρόδια προκειμένου να μειωθεί το βάρος των μπαταριών ιόντων λιθίου. Θα μπορούσε επίσης να αξιοποιηθεί σε αντικραδασμικά ηλεκτρονικά κυκλώματα για αεροπλάνα και δορυφόρους, ή ακόμα και για το φιλτράρισμα του πόσιμου νερού.

Ο αερογραφίτης, υπερηφανεύονται οι ερευνητές του Πανεπιστημίου του Κιέλου και του Τεχνολογικού Πανεπιστημίου του Αμβούργου, εκθρονίζει ένα υλικό από μικροσωλήνες νικέλιου που είχε παρουσιαστεί ως το ελαφρύτερο υλικό του κόσμου πριν από μερικούς μήνες. Ο αερογραφίτης είναι ελαφρύτερος αφενός επειδή ο άνθρακας έχει μικρότερη ατομική μάζα, αφετέρου επειδή αποτελείται από σωλήνες με πορώδη τοιχώματα.

Το νέο υλικό έχει πυκνότητα 0,2 milligram ανά κυβικό εκατοστό, συγκριτικά με 1.000 milligram ανά κυβικό εκατοστό για το νερό στους 4 βαθμούς Κελσίου.

Είναι ελαφρύτερο ακόμα και από τον αέρα, ο οποίος έχει πυκνότητα 1,2 milligram ανά κυβικό εκατοστό στο επίπεδο της θάλασσας και στους 15 βαθμούς Κελσίου.

Αυτό βέβαια δεν σημαίνει ότι ο αερογραφίτης πετάει όπως ένα μπαλόνι γεμάτο από αέριο ήλιο -στον υπολογισμό της πυκνότητάς του δεν λαμβάνεται υπόψη ο κενός χώρος ανάμεσα στα σωληνάρια άνθρακα, ο οποίος γεμίζει με αέρα και αυξάνει έτσι το βάρος του υλικού.
"Μπορεί κανείς να φανταστεί τον αερογραφίτη σαν αναρριχητικό κισσό που έχει τυλίξει ένα δέντρο. Αν απομακρύνετε το δέντρο, αυτό που μένει είναι ο αερογραφίτης" εξηγεί ο Ράινερ Άντελουνγκ, μέλος της ερευνητικής ομάδας στο Κίελο.

Για να δημιουργήσουν τον αερογραφίτη, οι ερευνητές δημιούργησαν αρχικά μια "σκαλωσιά" πάνω στην οποία τυλίχτηκαν οι σωλήνες άνθρακα, όπως ο κισσός τυλίγει το δέντρο. Η σκαλωσιά δημιουργήθηκε με θέρμανση μιας σκόνης οξειδίου του ψευδαργύρου, έτσι ώστε να σχηματιστεί ένα κρυσταλλικό υλικό.

Η σκαλωσιά αυτή τοποθετήθηκε στη συνέχεια μέσα σε έναν κλίβανο στους 760 βαθμούς Κελσίου και εκτέθηκε σε ένα ρεύμα χημικού ατμού άνθρακα και υδρογόνου. Ο άνθρακας επικάθισε πάνω στη σκαλωσιά και σχημάτισε ένα στρώμα από πορώδεις σωλήνες, ενώ το υδρογόνο αντέδρασε με το οξυγόνο του οξειδίου του ψευδαργύρου, με αποτέλεσμα να απομακρυνθεί ο ψευδάργυρος υπό τη μορφή ατμού.

Όπως επισημαίνουν οι ερευνητές, η διαδικασία μπορεί να ρυθμιστεί ώστε να δημιουργηθούν νέες μορφές αερογραφίτη με χαρακτηριστικά κατάλληλα για εξειδικευμένες εφαρμογές.

Το εντυπωσιακό είναι ότι, παρά την αβάσταχτη ελαφρότητά του, ο αερογραφίτης ανακτά το σχήμα του ακόμα και αν τεντωθεί ή συμπιεστεί στο 25% του αρχικού του όγκου.

Αν κανείς λάβει υπόψη και την άριστη ηλεκτρική αγωγιμότητα και το παράξενο, κατάμαυρο χρώμα, ο αερογραφίτης δεν μοιάζει με κανένα υλικό που γνωρίζουμε από τη φύση.

Το άρθρο στην επιθεώρηση Advanced Materials

Γραφένιο : άνθρακας σε δύο διαστάσεις

To γραφένιο αποτελείται

από δισδιάστατα φύλλα

άνθρακα  

Ερευνητές σε όλο τον κόσμο πασχίζουν να βρουν τρόπο να παράγουν μαζικά το γραφένιο, μια σχετικά νέα μορφή του άνθρακα, πιο σκληρή από το ατσάλι και πιο αγώγιμη από το χαλκό.

Το γραφένιο αποτελείται από άτομα άνθρακα που διατάσσονται όλα στο ίδιο επίπεδο και σχηματίζουν έτσι ένα φύλλο με πάχος ενός μόλις ατόμου. Τα φύλλα αυτά θα μπορούσαν μια μέρα να αντικαταστήσουν το πυρίτιο στην παραγωγή κυκλωμάτων, να αξιοποιηθούν σε ηλιακούς συλλέκτες υψηλής απόδοσης και να αποτελέσουν την πρώτη ύλη για υπερανθεκτικά νήματα και επιφάνειες.

Οι πρώτοι που απομόνωσαν το εξωτικό υλικό ήταν οι φυσικοί Αντρέ Γκέιμ και Κονσταντίν Νοβολέσοφ στη Βρετανία, οι οποίοι χρησιμοποίησαν μια απλή κολλητική ταινία για να αποσπάσουν φύλλα γραφένιου από κρυστάλλους γραφίτη. Η ανακάλυψη τιμήθηκε με το Νόμπελ Φυσικής του 2010, ωστόσο η μέθοδος της κολλητικής ταινίας δεν είναι δυνατό να εφαρμοστεί σε μεγάλη κλίμακα.

H επικρατέστερη από τις τεχνικές που έχουν προταθεί για μαζική παραγωγή αφορά την παραγωγή φύλλων οξειδίου του γραφενίου, το οποίο στη συνέχεια ανάγεται με χημικές μεθόδους ώστε να απομακρυνθεί το οξυγόνο και να μείνει καθαρό γραφένιο. Το πρόβλημα όμως είναι ότι οι αντιδράσεις αναγωγής απαιτούν δραστικά χημικά ή θέρμανση και μειώνουν την ποιότητα του παραγόμενου γραφένιου.

Τώρα ερευνητές στην Ιαπωνία αναφέρουν ότι ανέπτυξαν μια νέα μέθοδο για την παραγωγή Αυτό που δοκίμασαν ήταν να συλλέξουν δείγματα ιζημάτων από ένα γειτονικό ποτάμι στην περιοχή του Αΐτσι και να καλλιεργήσουν στο εργαστήριο τα αναερόβια βακτήρια της λάσπης.

Οι βακτηριακές καλλιέργειες αφέθηκαν στη συνέχεια να δράσουν πάνω σε φύλλα οξείδιου του γραφενίου τοποθετημένα σε πλάκες πυριτίου. Τρεις ημέρες αργότερα, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι τα βακτήρια είχαν απομακρύνει τα άτομα οξυγόνου αφήνοντας καθαρό γραφένιο καλής ποιότητας.

Αν η μέθοδος αποδειχθεί αποτελεσματική και σε μεγάλη κλίμακα, το γραφένιο θα μπορούσε να παράγεται στο μέλλον με τη βοήθεια αυτών των ταπεινών μικροβίων της λάσπης.



Η έρευνα δημοσιεύεται στο Journal of Physics : Conference Series

Περισσότερα για το Νόμπελ Φυσικής 2010 εδώ

Σχετικά άρθρα

Χημική μέθοδος φέρνει πιο κοντά τα κυκλώματα από γραφένιο

Κυκλώματα από γραφένιο κατευθείαν από τον εκτυπωτή

Το πολυμήχανο γραφένιο ετοιμάζεται να αντικαταστήσει το Teflon