Deimantas ir grafitas: žavus dviejų allotropų pasaulis

Mūsų kasdieniame gyvenime anglies egzistuoja įvairių formų, iš kurių labiausiai žinomi, yra pieštukų laidų grafitas ir akinantys deimantai - deimantai. Nors jos yra kilusios iš to paties elemento, abiejų fizinės savybės yra labai skirtingos, nuo spalvos, kietumo iki lydymosi taško, parodant anglies įvairovę ir magiją.

Struktūriniai skirtumai: Makroskopinių skirtumų supratimas nuo mikroskopinių

Deimantas ir grafitas yra pagaminti iš anglies atomų, sujungtų kovalentiniais ryšiais, tačiau jų išdėstymas yra visiškai skirtingas. Deimantas yra daug sunkesnis nei grafitas, nes deimantų anglies atomai yra išdėstyti tetraedrinėje struktūroje, o kiekvienas anglies atomas yra sujungtas su keturiais kitais anglies atomais, sudarančiais ypač kietą ir vienodą erdvinio tinklo struktūrą. Nesvarbu, kuria kryptimi taikoma išorinė jėga, tuo pačiu metu reikia sulaužyti daug kovalentinių jungčių, kad būtų deformuojant ar sulaužyta.

 

Priešingai, grafito struktūra atrodo daug „laisva“. Grafito anglies atomai yra išdėstyti sluoksniais, o kiekvieno sluoksnio anglies atomai yra glaudžiai sujungti kovalentiniais ryšiais, kad sudarytų šešiakampį tinklelį, o sluoksniai yra sujungti vienas su kitu silpnesnėmis van der Waals jėgomis. Atstumas tarp sluoksnių yra per didelis, o jėga yra per silpna, todėl lengva jį „sulaužyti po vieną“ - pirmiausia jis lengvai „įtrinamas“ į ypač plonus sluoksnius, o tada mikroskopinio sluoksnio struktūrą lengvai sunaikina išorinis jėgos. Ši sluoksniuota struktūra suteikia grafito gerą tepimą ir plastiškumą, todėl ją lengva supjaustyti ir formuoti, o jo kietumas yra daug mažesnis nei deimantinis.

 

Nuo grafito iki deimanto: dirbtinės sintezės stebuklas

Atsižvelgiant į didžiulį skirtumą tarp deimanto ir grafito, mokslininkai jau seniai buvo įsipareigoję ištirti deimantų sintezės metodus iš grafito. Nuo „Moissan“ aukštos temperatūros elektrinės krosnies bandymo iki vėlesnio sprogimo metodo, garų nusėdimo metodo, o po to iki šiuolaikinio aukštos temperatūros ir aukšto slėgio metodo, kiekviena technologinė naujovė žymi žmogaus supratimo apie anglies medžiagas gilėjimą ir techninės technikos tobulinimą galimybės. Ypač garų nusėdimo metodas ir aukštos temperatūros bei aukšto slėgio metodas, pirmasis gali užauginti deimantų plėveles ar kristalus ant konkretaus substrato, tiksliai kontroliuodamas anglies atomų nusėdimo procesą; Pastarasis naudoja katalizinį katalizatorių poveikį aukštoje temperatūroje ir aukšto slėgio sąlygose, kad grafitas paverstų didelėmis deimantų dalelėmis, kurios naudojamos pramoniniuose pjovimo įrankiuose ir papuošaluose.

 

Kietumo ir lydymosi taško anomalija: Kodėl deimantas turi žemą lydymosi tašką?

Žvelgiant iš mikroskopinės perspektyvos, lydymas reiškia, kad dalelės, kurios sudaro medžiagą, įgyja laisvę trimatėje erdvėje ir gali laisvai tekėti. Dėl deimanto ir grafito ši laisvė reikalauja tuo pat metu sunaikinti daugybę kovalentinių ryšių, taigi jų lydymosi taškai yra labai dideli.

 

Daugeliui kristalų, kuo didesnis kietumas, tuo didesnis lydymosi taškas. Tačiau deimanto ir grafito atveju kietumas ir lydymosi taškas yra nenuoseklūs.

 

Nors deimantas yra žinomas dėl nepakartojamo kietumo, jo lydymosi temperatūra yra netikėtai mažesnė nei grafito. Priežastis, kodėl ji yra glaudžiai susijusi su jų kovalentiniu ryšio stiprumu ir struktūrinėmis savybėmis. Deimantų anglies atomai naudoja SP3 hibridizaciją, o susidaręs kovalentinio ryšio ilgis yra ilgesnis (0. 155nm), o jungties energija yra palyginti maža; Nors grafito anglies atomai naudoja SP2 hibridizaciją, jungties ilgis yra trumpesnis ({0. 142nm), o jungties energija yra didesnė. Todėl, kai abi medžiagos virsta kietąja prie skysčio, nors reikia sulaužyti daugybę kovalentinių ryšių, stipriau kovalentinėms jungtims grafitu reikia didesnės energijos, todėl grafito lydymosi taškas yra didesnis nei deimanto (3680 laipsnių laipsnis - 3680 laipsnių laipsniui - 3680 laipsnių laipsnio laipsniui. grafitas ir 3550 laipsnis deimantui).

 

Grafito ir deimanto šilumos laidumas

Graphitas yra medžiaga, turinti puikų šilumos laidumą, o jo šilumos laidumas yra daug didesnis nei daugelis įprastų medžiagų. Šilumos laidumo grafito diapazonas paprastai yra didelis, tačiau specifinė vertė skiriasi priklausomai nuo grafito kokybės ir bandymo sąlygų.

 

Sluoksniuota grafito struktūra yra raktas į jo efektyvų šilumos laidumą. Anglies atomai sluoksniuose yra tvirtai surišti stipriais kovalentiniais jungtimis, kad sudarytų stabilią struktūrą, kuri palanki greitam šilumos perdavimui. Kadangi sluoksnius sujungia silpnos van der Waals jėgos, grafito šilumos laidumas tarpsluoksnio kryptimi yra gana silpnas. Nepaisant to, grafitas vis dar plačiai naudojamas kaip šilumos valdymo medžiaga aukštos temperatūros aplinkoje, pavyzdžiui, šilumos kriauklės, šilumos laidžios plėvelės ir kt. Puikus jos šilumos laidumas ir cheminis stabilumas vaidina svarbų vaidmenį šiose programose.

 

Deimantams, nors deimantas yra izoliatorius ir jame nėra laisvų elektronų, jis turi geriausią visų kietųjų dalelių šilumos laidumą. Jos šilumos laidumas yra vienas iš geriausių pobūdžio. ‌At kambario temperatūra, deimanto šilumos laidumas gali pasiekti 2000 ~ 2200 W/(m · k), tai yra 4 ~ 5 kartus didesnis nei vario ir sidabro, 4 kartus didesnis nei silicio karbido (sic), 13 kartų didesnis nei silicio ( Si) ir 43 kartus didesnė už „Gallium Arsenide“ (GaAs). Be to, IIA tipo deimantų šilumos laidumas esant skystosios azoto temperatūrai gali pasiekti 25 kartus didesnį nei vario, ir tai rodo super šilumos laidumą. Deimantas turi stabilias chemines savybes, yra atsparios rūgščiams ir šarmams ir nereaguoja su tam tikromis cheminėmis medžiagomis aukštoje temperatūroje. Šios savybės leidžia išlaikyti gerą šilumos laidumą net ir ekstremaliose aplinkose.

 

Deimantinėse struktūroje nėra laisvų elektronų, taigi, kaip jis gali turėti šilumos laidumą? Pasirodo, šilumos ir elektrinio laidumo esmė yra skirtinga, o tai lemia šilumos mikroskopinis pobūdis - mikroskopinė šilumos esmė yra dalelių judėjimas. Jei mikroskopinių dalelių judėjimo greitis yra greitas, išorinė apraiška yra aukšta temperatūra. Šis mikroskopinių dalelių judėjimas gali būti laisvas ir netaisyklingas, arba tai gali būti savęs vaizdavimas ant grotelių. Galima įsivaizduoti, kad puikus deimanto šilumos laidumas pasiekiamas pačių anglies atomų vibracija ant grotelių. Dėl labai užsakytos deimantinės grotelės išdėstymo ir to, kad jos vibracijos dažnis labai atitinka šilumos (iš esmės elektromagnetinės bangos) dažnį, šis anglies atomų vibracija gali lengvai sukelti rezonansą kristale, taip greitai Vykdant šilumą iš vienos vietos į kitą, padarydamas deimantą kietą medžiagą su geriausiu šilumos laidumu.

 

Šis unikalus šilumos laidumas daro deimantą, plačiai naudojamą aukštųjų technologijų laukuose. Pvz., Puslaidininkių lustų pakuotėje deimantas gali greitai atlikti šilumą, kad lustas nebūtų atliktas blogai arba sumažina patikimumą dėl per didelės temperatūros. Be to, deimantas taip pat naudojamas šilumos kriauklėms ir didelės šilumos laidumo sąsajos medžiagoms gaminti didelės galios elektroniniams prietaisams. Dėl didelio šilumos laidumo ir mažo šiluminio išsiplėtimo koeficiento jis gali veiksmingai sumažinti medžiagos matmenų pokyčius, kai keičiasi temperatūra, ir pagerinti įrangos stabilumą ir patikimumą.

Kaip anglies, deimantų ir grafito allotropai pasižymi visiškai skirtingomis makroskopinėmis savybėmis per savo unikalias mikrostruktūras. Nuo jų abipusio virsmo iki anomalių fizinių savybių kiekvienas atradimas yra gilus gamtos paslapčių apreiškimas ir žmogaus išminties bei technologinės pažangos liudijimas.