Kohlenstoffallotropen - NanoScienceWorks
Diamant ist einer der bekanntesten Kohlenstoffallotrope, deren Härte und hohe Streuung von Licht machen es sinnvoll, für industrielle Anwendungen und Schmuck. Diamant ist das härteste bekannte natürliche Mineral. es eine ausgezeichnete Schleif machen und das bedeutet auch ein Diamant sehr gut seine Politur hält und behält Glanz.
Die dominante industrielle Verwendung von Diamanten ist beim Schneiden, Bohren, Schleifen und Polieren. Die meisten Anwendungen von Diamanten in diesen Technologien keine großen Diamanten erfordern; in der Tat, die meisten Diamanten, die Edelstein-Qualität mit Ausnahme ihrer geringen Größe sind, können eine industrielle Verwendung finden. Diamanten werden in Bohrerspitzen oder Sägeblätter eingebettet ist, oder zu einem Pulver zermahlen für den Einsatz in Schleif- und Polieranwendungen. Spezialisierte Anwendungen umfassen den Einsatz in Laboratorien als Containment für Hochdruck-Experimente (siehe Diamantamboss), Hochleistungslager. und begrenzt den Einsatz in Spezialfenstern.
Mit der anhaltenden Fortschritte bei der Herstellung von synthetischen Diamanten hergestellt sind, zukünftige Anwendungen beginnen, möglich geworden. Verankerung viel Aufregung ist die mögliche Verwendung von Diamant als Halbleiter geeignet aufzubauen Mikrochips aus, oder die Verwendung von Diamant als Wärmesenke in der Elektronik. Bedeutende Forschungsanstrengungen in Japan. Europa. und die Vereinigten Staaten sind im Gang, auf dem Potential von Diamanten einzigartigen Materialeigenschaften, kombiniert mit erhöhter Qualität und Quantität der Versorgung angeboten Kapital ausgehend von synthetischen Diamanten Herstellern zur Verfügung zu werden.
Jedes Kohlenstoffatom in Diamanten wird auf vier andere Kohlenstoffatom in einem Tetraeders kovalent gebunden. Diese Tetraedern bilden zusammen ein 3-dimensionales Netzwerk von puckered sechsgliedrigen Ringen von Atomen. Dieses stabile Netzwerk von kovalenten Bindungen und die dreidimensionale Anordnung von Bindungen, den Diamant so stark ist.
Graphit (mit dem Namen von Abraham Gottlob Werner im Jahr 1789 aus dem Griechischen γραφειν: „Unentschieden / write“, für seine Verwendung in Bleistiften) ist einer der häufigsten Kohlenstoffallotrope. Anders als Diamant, Graphit ist ein Leiter, und kann verwendet werden, zum Beispiel, wie das Material in den Elektroden einer elektrischen Bogenlampe. Graphit hält die Unterscheidung des Seins die stabilste Form von festen Kohlenstoff jemals entdeckt wurde.
Graphit ist in der Lage Strom aufgrund des ungepaarten vierten Elektrons in jedem Kohlenstoffatom zu leiten. Diese ungepaarten Elektron 4. Formen Ebenen oberhalb und unterhalb der Ebenen der Kohlenstoffatome delokalisiert. Diese Elektronen frei bewegen kann, so sind in der Lage, Strom zu leiten. Allerdings ist der Strom nur in der Ebene der Schichten durchgeführt.
Graphitpulver wird als trockenes Schmiermittel verwendet. Obwohl man denken könnte, dass diese industriell wichtige Eigenschaft vollständig zwischen den Blättern in der Struktur, in der Tat in einer Vakuumumgebung (wie in Technologien für den Einsatz im Weltraum), wurde Graphit gefunden, daß ein sehr schlechtes Schmiermittel auf die lose interlamellarer Kopplung zurückzuführen ist . Diese Tatsache führt zu der Entdeckung, dass die Graphit Gleitfähigkeit zu adsorbierte Luft und Wasser zwischen den Schichten zurückzuführen ist, im Gegensatz zu anderen Schichttrockenschmierstoffe wie Molybdändisulfid. Neuere Studien legen nahe, dass ein Effekt namens Supraschmierfähigkeit auch für diesen Effekt erklären kann.
Natürliche Graphite und kristallin ist aufgrund ihrer Scherebene, Sprödigkeit und inkonsistenter mechanischer Eigenschaften oft nicht in reiner Form als Strukturmaterialien verwendet.
In seiner reinen glassy (isotrop) synthetische Formen, pyrolytischem Graphit und kohlefaser Graphit ist ein extrem stark, hitzebeständiges (bis 3000 ° C) Material, in Reentry Schilden für Flugkörper nosecones verwendet, Feststoffraketenmotoren, Hochtemperatur-Reaktoren. Bremsbacken und Elektromotor Bürste.
Intumeszenten oder Blähgraphite sind im Feuerdichtungen, versehen um den Umfang einer Brandschutztür verwendet. Im Brandfall schäumt die Graphitteilchen (dehnt sich aus und Zeichen) Brand Eindringen zu widerstehen und um die Ausbreitung von Rauch verhindern. Eine typische Startexpansionstemperatur (SET) zwischen 150 und 300 Grad Celsius.
amorphes Kohlenstoff
Amorphes Kohlenstoff ist der Name für Kohlenstoff verwendet, die keine kristalline Struktur haben. Wie bei allen glasigen Materialien, einige kann Nahordnung beobachtet werden, aber es gibt keine Langstreckenmuster von Atompositionen.
Kohle und Ruß beide formlos amorphem Kohlenstoff genannt. Allerdings sind beide Produkte der Pyrolyse. die produzieren nicht wahr amorphem Kohlenstoff unter normalen Bedingungen. Die Kohleindustrie teilt Kohle in verschiedene Typen auf die Menge an Kohlenstoff in der Probe vorhanden, je im Vergleich zu der Menge an Verunreinigungen. Der höchste Grad, Anthrazit. beträgt etwa 90 Prozent Kohlenstoff und 10% andere Elemente. Steinkohle ist etwa 75-90 Prozent Kohlenstoff und Lignit ist der Name für Kohle, die rund 55 Prozent Kohlenstoff ist.
Fullerene
Fullerene sind in der Struktur ähnlich zu Graphit, das aus einer Platte aus verknüpften hexagonalen Ringen zusammengesetzt ist, aber sie enthalten pentagonal (oder manchmal heptagonal) Ringe, die das Blatt von planar zu verhindern.
Kohlenstoff-Nanoröhren
Ein Nanoröhrchen (auch als buckytube bekannt) ist ein Mitglied der Fullerenstrukturfamilie, die auch buckyballs umfasst. Wohingegen buckyballs in Form sphärisch ist, ist ein Nanoröhrchen zylindrisch. mit mindestens einem Ende üblicherweise mit einer Halbkugel der buckyball Struktur begrenzt. Ihr Name ist von ihrer Größe abgeleitet, da der Durchmesser einer Nanoröhre in der Größenordnung von wenigen Nanometern (ungefähr 50.000-mal kleiner als die Breite eines menschlichen Haares), während sie bis zu mehrere Zentimeter lang sein. Es gibt zwei Haupttypen von Nanoröhren: einwandigen Nanoröhren (SWNT) und mehrwandige Nanoröhren (MWNT).
Aggregierte Diamant-Nanostäbchen
Aggregierte Diamant-Nanostäbchen. oder ADNR- s, sind ein allotrope Kohlenstoff angenommen, dass das mindestens komprimierbaren Material der Menschheit bekannt ist, wie durch seinen isothermen Kompressionsmodul gemessen werden; Aggregierte Diamant-Nanostäbchen einen Modul von 491 Gigapascal (GPa), während ein herkömmlicher Diamant mit einem Modul von 442 GPa aufweist. ADNRs sind auch 0,3% dichter als herkömmliche Diamant. Adnr Material ist auch härter als Diamant vom Typ IIa und ultraharten fullerite.
Glassy Carbon
Glasartiger Kohlenstoff ist eine Klasse von nicht-Graphitisieren Kohlenstoff, der als ein Elektrodenmaterial in der Elektrochemie allgemein verwendet wird. sowie für die Hochtemperaturtiegel und als Bestandteil von einigen Prothesen. Es wurde zum ersten Mal in den Laboratorien der General Electric Company von Arbeitern hergestellt. In Großbritannien, in den frühen 1960er Jahren, unter Verwendung von Cellulose als Ausgangsmaterial. Eine kurze Zeit später, Japanisch Arbeiter erzeugen ein ähnliches Material, das aus Phenolharz. Die Herstellung von Glas-Kohlenstoff beinhaltet eine Reihe von Wärmebehandlungen bei Temperaturen um die organischen Vorläufer ausgesetzt wird bis zu 3000 o C. Im Gegensatz zu vielen nicht-Graphitieren Kohlenstoffe, sie für Gase undurchlässig sind und sind chemisch sehr inert, insbesondere solche, die bei sehr vorbereitet wurden hohe Temperaturen. Es wurde gezeigt, dass die Geschwindigkeiten der Oxidation bestimmter glasigen Kohlenstoffatomen in Sauerstoff, Kohlendioxid oder Wasserdampf, sind niedriger als die jedes anderen Kohlenstoff. Sie sind auch sehr widerstandsfähig durch Säuren angreifen. Somit wird, während normaler Graphit zu einem Pulver mit einer Mischung aus konzentrierter Schwefel- und Salpetersäure bei Raumtemperatur, reduziert wird, glasartiger Kohlenstoff ist, unabhängig von einer solchen Behandlung, auch nach mehreren Monaten.
Kohlenstoff-Nanoschaum
Die großräumige Struktur von Kohlenstoff-Nanoschaum ist ähnlich derjenigen eines Aerogels. jedoch mit 1% der Dichte der zuvor erzeugten Kohlenstoff-Aerogelen - nur ein paar Mal der Dichte der Luft auf Meereshöhe. Im Gegensatz zu Kohlenstoff-Aerogele, Kohlenstoff-Nanoschaum ein schlechter elektrischer Leiter.
Lonsdaleite
Lonsdaleite ist ein sechseckiger allotrope des Kohlenstoffallotrop Diamant. glaubte zu bilden, wenn meteoric Graphit auf die Erde fällt. Die große Hitze und Stress des Aufpralls verwandelt den Graphit in Diamant, behält aber hexagonale Kristallgitter des Graphits.
Chaoit ist ein Mineral, vermutlich in Meteoriteneinschläge entstanden sein. Es wurde als etwas härter als Graphit mit einer Reflexionsfarbe von grau bis weiß beschrieben. Allerdings ist die Existenz von Carbin Phasen umstritten - siehe Eintrag auf Chaoit für weitere Einzelheiten.
Veränderlichkeit von Kohlenstoff
Das System des Kohlenstoffallotrope umspannt einen erstaunlichen Bereich von Extremen, wenn man bedenkt, dass sie alle nur Strukturbildungen desselben Elemente sind.
Zwischen Diamant und Graphit
- Diamant ist härteste Mineral für den Menschen (10 auf der Mohs-Skala) bekannt, aber Graphit ist eines der weichsten (1 - 2 auf der Mohs-Skala).
- Diamant ist das ultimative abrasive, aber Graphit ist ein sehr gutes Schmiermittel.
- Diamant ist ein ausgezeichneter elektrischer Isolator, aber Graphit ist ein elektrischer Leiter.
- Diamant ist in der Regel transparent, aber Graphit ist undurchsichtig.
- Diamant kristallisiert in dem isometrischen System aber Graphit kristallisiert in dem hexagonalen System.
Zwischen amorphen Kohlenstoff-Nanoröhren und
- Amorphem Kohlenstoff gehört zu den einfachsten Materialien zu synthetisieren, aber Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind extrem teuer zu machen.
- Amorphes Kohlenstoff ist vollständig isotrop. aber Kohlenstoff-Nanoröhren gehören zu den anisotropen Materialien jemals produziert wurde.
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