Atklājumi.lv

Apstiprināta jaunas oglekļa alotropās formas esamība

Eksperimenti liecina, ka auksta (istabas temperatūras) grafīta saspiešana spiedienā, lielākā par 100 tūkstošiem atmosfēru, izraisa jauna oglekļa stāvokļa parādīšanos, pārveidojoties tā iekšējai struktūrai un izmainoties fizikālajām īpašībām. Ķīniešu, amerikāņu un krievu zinātnieku grupai izdevās teorētiski aprēķināt tādos apstākļos esoša grafīta struktūru un noskaidrot, ka šo neatpazīto oglekļa stāvokli ir jāidentificē kā jaunu tā alotropo formu. Pētnieki šo stāvokli nosauca par M-oglekli.

Pēc polimorfo jeb alotropo (jo ogleklis ir vienkārša viela) modifikāciju daudzveidības ogleklis ir unikāls. Atkarībā no kristāliskās struktūras šī ķīmiskā elementa varianti var pārstāvēt lielu skaitu pilnīgi dažādu vielu - no dimanta līdz grafītam, ar dažādām elektroniskām un mehāniskām īpašībām.

Viena no vispazīstamākajām oglekļa alotropajām formām ir dimants - trīsdimensiju struktūra, ko raksturo tetraedrisks oglekļa atomu izvietojums kristāliskajā režģī (zīm. nr. 1:a). Tas ir pats cietākais no dabiskajiem minerāliem - 10 pēc Moosa cietības skalas. Dimanta sagraušanai jāizmanto apmēram 100 GPa liels jeb 1 miljonu atmosfēru liels spiediens. Pēc savām elektriskajām īpašībām tīrs dimants ir dielektriķis.

Cits visiem zināms oglekļa paveids - grafīts - sastāv no divdimensiju slāņainas kristāliskas struktūras. Šajos slāņos oglekļa atomi ir saistīti ar kovalentām saitēm un atrodas sešstūra virsotnēs. Starp slāņiem darbojas Van der Vālsa spēki, kas ir daudzreiz vājāki salīdzinājumā ar kovalento saiti. No tā arī spēcīgā anizotropija, kas izpaužas grafīta fizikālajās īpašībās. Pēc cietības skalas (Moosa skalas) grafītam ir vismazākā cietība - 1. Turklāt, tas ir labs strāvas vadītājs. Bet grafīta monoslānis ir jau atsevišķa viela - grafēns, kuru, principā, arī var attiecināt uz oglekļa alotropajām formām, jo tam ir unikālas fizikālas īpašības.

Mazāk pazīstamas citas polimorfas oglekļa modifikācijas - piemēram, heksagonālais dimants (jeb lonsdeilīts), kā arī karbīns, kurus atklāja pagājušā gadsimta 60. gados.

Lonsdeilīts pēc savas iekšējās uzbūves atgādina dimantu, taču ar nedaudz citu atomu "pakojuma" tipu - oglekļa atomi tajā veido heksagonālu kristālisko režģi. No tā radies otrs nosaukums - heksagonālais dimants. Interesanti, ka pirmoreiz lonsdeilīts tika atklāts meteorītu krāterī Arizonā (ASV). Bet 2009. gada februārī žurnālā Physical Review Letters tika publicēts raksts, saskaņā ar kuru tīram lonsdeilītam bez piemaisījumiem teorētiski būtu jābūt par 58% izturīgākam nekā dimants: tā cietība atbilstu 152 GPa pret aptuveni 100 GPa dimantam. Sanāk, teorētiski tieši lonsdeilīts, nevis dimants, jāuzskata par pašu cietāko vielu uz Zemes.

Karbīns ir viendimensionāla, lineāra oglekļa atomu ķēdīte (skatīt avīzes "Химия" rakstu „Karbīns - trešā oglekļa alotropā modifikācija: atklāšana un īpašības"). Karbīnam piemīt pusvadītāja īpašības, turklāt gaismas iedarbībā tā vadītspēja strauji pieaug. Sākumā karbīnu sintezēja laboratorijā, bet vēlāk atrada minerāla veidā dabā, kā dzīsliņas un lāsmojumus grafītā - arī meteorītu krāterī, Bavārijā (Vācija). Dabīgais minerāls ieguva nosaukumu čaoīts.

Pie oglekļa alotropajām modifikācijām jāpieskaita arī fullerēnu saimi (zemie fullerēni - C24, C28, C30, C32; vidējie fullerēni - C50, C60, C70,; hiperfullerēni - C76, C78, C82, C84, C90, C96, C102, C106, C110 un fullerēni-giganti - C240, C540, C960), nanocaurulītes (vienas sienas un daudzu sienu), kā arī oglekļa amorfo formu - stiklam līdzīgu vielu bez sakārtota kristāliskā režģa.

Taču, šķiet, oglekļa polimorfisms sevi vēl nav izsmēlis. Dažādu zinātnieku grupu veiktie eksperimenti liecināja, ka grafīts istabas temperatūrā zem spiediena, lielāka par 14 GPa - tā sauktajā aukstajā saspiešanā - veic neparastu struktūras pāreju, ko pavada elektriskās pretestības, optisko īpašību un cietības maiņa. Par to, ka notiek iekšēja grafīta struktūras pārveidošanās, liecina arī rentgenstruktūranalīzes dati. Tika izteikts viedoklis, ka tā var būt kaut kāda pārejas fāze starp dimantu un grafītu (lonsdeilīts) vai pat amorfais ogleklis (zīm. nr. 2). Taču Rāmaņa spektroskopija un rentgenstaru difrakcijas izkliede ātri apgāza šīs hipotēzes. Un tikai pēc tam zinātnieki sāka runāt par iespējamo jauna oglekļa paveida pastāvēšanu. Vajadzēja tikai noskaidrot, vai šī alotropā modifikācija ir stabila, kāda ir tās kristāliskā struktūra, mehāniskās īpašības utt.

Amerikāņu, krievu un ķīniešu zinātnieku grupa žurnālā Physical Review Letters publicēja darbu Superhard Monoclinic Polymorph of Carbon (pilns teksts - PDF), kurā teorētiski tika apstiprināta vēl vienas oglekļa alotropās modifikācijas pastāvēšana. Zinātnieki to nosauca par M-oglekli.

Aprēķinu gaitā noskaidrojās, ka M-ogleklim ir monoklīna kristāliskā režģa struktūra (zīm. nr. 3) un cietība gandrīz kā dimantam. Aprēķinu rezultāti labi saskan ar eksperimentālajiem datiem. Pamatojoties uz to, šī darba autori varēja identificēt minēto neatpazīto oglekļa stāvokli kā tā pilnīgi jaunu alotropo formu.

Ja salīdzina M-oglekli ar citiem ļoti cietiem materiāliem, tad pēc cietības tas atrodas starp diviem pašiem cietākajiem materiāliem (neskaitot lonsdeilītu): starp kubisko bora nitrīdu (с-BN), ko veiksmīgi izmanto kā dimanta instrumenta analogu, un pašu dimantu. Skaitļos tas izskatās šādi: c-BN cietība ir 47 GPa, M-ogleklim - 83,1 GPa un dimantam - ap 100 GPa.

Turklāt zinātnieki aprēķināja M-oglekļa zonu struktūru un noskaidroja, ka, pirmkārt, jaunais oglekļa paveids ir stabils nevis metastabils savienojums, kā sākumā domāja nedaudzi pētnieki, un otrkārt, M-ogleklis ir dielektriķis.

No praktiskās puses ieguvumi ir acīmredzami. Ar aukstās saspiešanas palīdzību (neceļot temperatūru līdz tūkstots grādiem, kā gadījumā ar grafīta transformāciju dimantā) var iegūt vielu, kas pēc cietības praktiski neatpaliek no dimanta un pārspēj rūpnieciskiem mērķiem izmantojamo kubisko bora nitrīdu.

Jurijs Jerins

Ilmāra Cīruļa tulkojums

Augšējais attēls: oglekļa atomi grafīta kristāliskā režģa kārtās.

Avots: Quan Li, Yanming Ma, Artem R. Oganov, Hongbo Wang, Hui Wang, Ying Xu, Tian Cui, Ho-Kwang Mao, Guangtian Zou. http://scitation.aip.org/getabs/servlet/GetabsServlet?prog=normal&id=PRLTAO000102000017175506000001&idtype=cvips&gifs=yes // Physical Review Letters 102, 175506 (2009).

Raksts pārpublicēts no elementy.ru

© Atklajumi.lv. Pārpublicēt atļauts tikai ievērojot ŠOS NOTEIKUMUS.