Дијамант и графит: фасцинантан свет два алотропа

У нашем свакодневном животу угљеник постоји у многим облицима, што је најпознатије од којих су графит у оловком оловком и заслепљујуће дијаманте - дијаманти. Иако су изведени из истог елемента, физичка својства две су врло различите, од боје, тврдоће до тачке топљења, показујући разноликост и магију угљеника.

Структурне разлике: разумевање макроскопских разлика од микроскопски

Дијамант и графит су направљени од атома угљеника повезани ковалентним обвезницама, али њихов аранжман је потпуно другачији. Диамонд је много тежи од графита, јер су атоми угљеника у дијаманту распоређени у тетраедралној структури, а сваки атом угљеника повезан је на четири друга атома угљеника, формирајући изузетно тешку и јединствену структуру просторног мреже. Без обзира на то у ком правцу се примењује спољна сила, велики број ковалентних обвезница мора да буде сломљен истовремено да се деформише или прекине.

 

Насупрот томе, чини се да је структура графита много "лабава". Атоми угљеника у графиту су распоређени у слојевима, а атоми угљеника у сваком слоју су уско повезани ковалентним везама да формирају хексагоналну мрежу, док су слојеви међусобно повезани слабијим ван дер Валсовим силама. Растојање између слојева је превелико и сила је сувише слаба, па се лако „разбија један по један“ – прво се лако „трља“ у изузетно танке слојеве, а затим се микроскопска структура слоја лако уништава спољним силе. Ова слојевита структура даје графиту добру мазивост и пластичност, што га чини лаким за сечење и обликовање, а његова тврдоћа је много нижа од дијаманта.

 

Од графита до дијаманта: Чудо вештачке синтезе

С обзиром на огромну разлику између дијаманта и графита, научници су дуго посвећени истраживању метода да се дијамант синтетишу са графита. Од Моиссан-овог покушаја електричне енергетске пећнице, до касније методе експлозије, начин уклањања испарења, а затим на модерни начин високог температурног и високог притиска, свака технолошка иновација означава продубљивање људског разумевања угљеника и побољшање техничке иновгенције Могућности. Посебно метода таложења паре и метода високог температура и високог притиска, бивши могу узгајати дијамантске филмове или кристале на одређеној супстрат-у прецизно контролом поступка таложења атома угљеника; Потоњи користи каталитички ефекат катализатора под високим температурама и високим условима под високим притиском да би претворили графит у велике честице дијаманта, који се користе у индустријским алатама за сечење и накит.

 

Аномалија тврдоће и тачке топљења: Зашто дијамант има ниску тачку топљења?

Из микроскопске перспективе, топљење значи да честице које чине супстанцу добијају слободу у тродимензионалном простору и могу слободно да теку. За дијамант и графит ова слобода захтева истовремено уништавање великог броја ковалентних веза, па су њихове тачке топљења веома високе.

 

За већину кристала, то је већа тврдоћа, то је већа тачка топљења. Међутим, у случају дијаманта и графита, тачка тврдоће и топљења су недоследна.

 

Иако је дијамант познат по својој тврдоћи без премца, његова тачка топљења је неочекивано нижа од оне код графита. Разлог за ово је уско повезан са снагом њихове ковалентне везе и структурним карактеристикама. Атоми угљеника у дијаманту користе сп3 хибридизацију, а формирана дужина ковалентне везе је дужа (0.155нм) и енергија везе је релативно ниска; док атоми угљеника у графиту користе сп2 хибридизацију, дужина везе је краћа (0.142нм) и енергија везе је већа. Због тога, када се оба материјала трансформишу из чврстог у течни, иако је потребно прекинути велики број ковалентних веза, јаче ковалентне везе у графиту захтевају већу енергију за прекид, што резултира вишом тачком топљења за графит него за дијамант (3680 степени за графит и 3550 степени за дијамант).

 

Топлотна проводљивост графита и дијаманта

Графит је материјал са одличном топлотном проводљивошћу, а његова топлотна проводљивост је много већа од многих уобичајених материјала. Опсег топлотне проводљивости графита је генерално висок, али специфична вредност варира у зависности од квалитета графита и услова испитивања.

 

Слободна структура графита је кључ њене ефикасне топлотне проводљивости. Атоми угљеника у слојевима су чврсто везани снажним ковалентним обвезницама да би формирали стабилну структуру која погодује брзим преносу топлоте. Међутим, јер су слојеви повезани слабим силама Ван Дер Ваалс, топлотна проводљивост графита у смеру преплета је релативно слаба. Упркос томе, графит се и даље широко користи као материјал топлотног управљања у окружењима високих температура, попут топлотних судопера, топлотни проводљиви филмови итд. Његова одлична топлотна проводљивост и хемијска стабилност играју важну улогу у овим апликацијама.

 

За дијамант, иако је дијамант изолатор и не садржи бесплатне електроне, има најбољу термичку проводљивост свих чврстих материја. Његова топлотна проводљивост сврстава је међу најбоље у природи. На собној температури, топлотна проводљивост дијаманта може да достигне 2000 ~ 2200 В / (м · к), што је 4 ~ 5 пута од бакра и сребра, 4 пута од силицијумског карбида (СИЦ), 13 пута од силицијума ( СИ) и 43 пута од Гарлијума Арсенида (ГААС). Поред тога, термичка проводљивост дијаманта типа ИИА на течној температури азота може достићи 25 пута више од бакра, показујући супер топлотну проводљивост. Дијамант има стабилна хемијска својства, отпорна је на киселине и алкалије и не реагује са одређеним хемикалијама на високим температурама. Ове некретнине омогућавају му да одржава добру топлотну проводљивост чак и у екстремним окружењима.

 

У структури дијаманта нема слободних електрона, па како он може имати топлотну проводљивост? Испоставља се да је суштина топлотне проводљивости и електричне проводљивости различита, што је одређено микроскопском природом топлоте - микроскопска суштина топлоте је кретање честица. Ако је брзина кретања микроскопских честица брза, спољашња манифестација је висока температура. Ово кретање микроскопских честица може бити слободно и неправилно, или може бити самовибрација на решетки. Може се замислити да се одлична топлотна проводљивост дијаманта постиже вибрацијом самих атома угљеника на решетки. Због високо уређеног распореда дијамантске решетке и чињенице да је њена фреквенција вибрација веома конзистентна са фреквенцијом потребном за провођење топлоте (у суштини електромагнетног таласа), ова вибрација атома угљеника може лако изазвати резонанцију у кристалу, а тиме и брзо проводећи топлоту са једног места на друго, чинећи дијамант чврсту супстанцу са најбољом топлотном проводљивошћу.

 

Ова јединствена топлотна проводљивост чини дијамант широко примењеним у областима високе технологије. На пример, у паковању полупроводничких чипова, дијамант може брзо да спроведе топлоту како би спречио лош рад чипа или смањио поузданост због превисоке температуре. Поред тога, дијамант се такође користи за производњу хладњака и материјала интерфејса високе топлотне проводљивости за електронске уређаје велике снаге. Због своје високе топлотне проводљивости и ниског коефицијента топлотног ширења, може ефикасно смањити промену димензија материјала када се температура промени и побољша стабилност и поузданост опреме.

Као алотропи угљеника, дијамант и графит показују потпуно различита макроскопска својства кроз своје јединствене микроструктуре. Од њихове међусобне трансформације до аномаличних физичких својстава, свако откриће је дубоко откриће мистерија природе и сведочење људске мудрости и технолошког напретка.