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

Τα διαμάντια είναι παντοτινά...

Ήταν το 1797, όταν, προς μεγάλη έκπληξη όλων, ανακαλύφθηκε ότι τα διαμάντια ήταν καθαρός άνθρακας. Θα μπορούσε λοιπόν ο γραφίτης – η άλλη μορφή του άνθρακα – να μετατραπεί στον πολύτιμο "ξάδερφό" του ;

Οι προσπάθειες ήταν πάρα πολλές, αλλά χωρίς αποτέλεσμα.

Το 1938 παρουσιάστηκε μια πλήρης θερμοδυναμική ανάλυση του προβλήματος, αποδεικνύοντας ότι είναι αδύνατο σε συνθήκες ατμοσφαιρικής πίεσης να παρασκευαστούν διαμάντια από γραφίτη.

Αλλά υπήρχαν κάποιες συνθήκες στις οποίες η μετατροπή του γραφίτη σε διαμάντι ήταν τουλάχιστον θεωρητικά δυνατή. Τελικά το 1955 η General Electric ανακοίνωσε ότι οι επιστήμονές της είχαν παρασκευάσει συνθετικά διαμάντια, χρησιμοποιώντας πίεση 100.000 ατμόσφαιρες και θερμοκρασίες πάνω από 2800 βαθμούς Κελσίου. Σήμερα η General Electric παρασκευάζει πάνω από 1.000.000 καράτια (καράτι : 200 χιλιοστά του γραμμαρίου) ετησίως, χρησιμοποιώντας διαφορετικές πρώτες ύλες και συνθήκες. Τα διαμάντια αυτά είναι κατώτερης ποιότητας από τα ορυκτά και χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία, λόγω της σκληρότητάς τους, ως εργαλεία κοπής.

Η εξαγωγή διαμαντιών, που συχνά γίνεται σε εμπόλεμες ζώνες της Αφρικής, θεωρείται μια από τις πιο "αιματοβαμμένες" και ηθικά αμφισβητούμενες οικονομικές δραστηριότητες διεθνώς ("blood diamonds"). Τα διαμάντια, εκτός από κοσμήματα, χρησιμοποιούνται σε διάφορα προϊόντα, όπως κοπτικά εργαλεία, ιατρικά κ.ά.

Το πάθος για τα διαμάντια ξεπερνάει κάθε αλλαγή καταστάσεων και αντέχει στο πέρασμα των καιρών, παραμένοντας απόδειξη ισχύος, ή, όπως έθιξε το ζήτημα η Μέριλιν Μονρόε, τραγουδώντας σε μια ταινία της "diamonds are the girls' best friends"...

Εκατομμύρια διαμάντια γεννιούνται και πεθαίνουν, ενώ καίει η φλόγα ενός κεριού

Η μαγεία που εκπέμπει το φως το κεριών μπορεί να ερμηνευθεί πλέον με άλλο μάτι, καθώς μια νέα βρετανική επιστημονική έρευνα ανακάλυψε ότι στις μικρές φλόγες του δημιουργούνται και καταστρέφονται κάθε στιγμή εκατομμύρια μικροσκοπικά διαμάντια.

Οι ερευνητές του πανεπιστημίου του Σεν Άντριους στη Σκωτία, με επικεφαλής τον καθηγητή χημείας Γουζόνγκ Τσου, που δημοσίευσαν τη σχετική μελέτη στο περιοδικό "Chemical Communications" της βρετανικής Βασιλικής Εταιρίας Χημείας, βρήκαν ότι περίπου ενάμισι εκατομμύριο νανοσωματίδια διαμαντιών δημιουργούνται κάθε δευτερόλεπτο, καθώς το κερί καίγεται, και συνεχώς εξαφανίζονται για να ξαναεμφανιστούν.

Είναι τόσο μικρά, που 300.000 από αυτά θα χωρούσαν στο κεφάλι μιας καρφίτσας, πριν περάσουν στην ανυπαρξία μέχρι να ανοιγοκλείσουν τα μάτια του παρατηρητή.
Ίχνη διαμαντιών επίσης ανακαλύφθηκαν σε πειράματα που έγιναν κατά την καύση του φυσικού αερίου και του ξύλου. Οι ερευνητές ανέφεραν ότι αν καταστεί δυνατό να βρεθεί ένας τρόπος να εξαχθούν αυτά τα νανο-διαμάντια από τις φλόγες, τότε θα ανακαλυφθούν νέες μέθοδοι παραγωγής διαμαντιών, πιο φθηνές, αλλά και πιο φιλικές στο περιβάλλον.

Προηγούμενες έρευνες είχαν δείξει ότι τα μόρια υδρογονανθράκων στη βάση της φλόγας του κεριού μετατρέπονται σε διοξείδιο του άνθρακα ωσότου φθάσουν στην κορυφή της φλόγας, όμως δεν ήταν γνωστό τί συμβαίνει στην ενδιάμεση περιοχή. Απομακρύνοντας σωματίδια από το μέσον της φλόγας, όπου η θερμοκρασία φθάνει τους 1400 βαθμούς Κελσίου, για πρώτη φορά οι χημικοί ανακάλυψαν ίχνη και από τις τέσσερις γνωστές μορφές άνθρακα, συμπεριλαμβανομένων των διαμαντιών (επίσης βρήκαν φουλλερένια, γραφίτη και άμορφο άνθρακα). Ο καθαρός άνθρακας δημιουργεί διαφορετικές δομές ανάλογα με τον τρόπο διάταξης και διασύνδεσης των μορίων του.

"Δυστυχώς τα σωματίδια διαμαντιού καίγονται στην πορεία και μετατρέπονται σε διοξείδιο του άνθρακα, παρόλα αυτά η ανακάλυψή μας θα αλλάξει για πάντα τον τρόπο που βλέπουμε μια φλόγα κεριού" δήλωσε ο Τσου, ο οποίος θέλει τώρα να εξετάσει αν και η φλόγα του μπάρμπεκιου περιέχει νανο-διαμάντια.