Dijamant i grafit: fascinantan svijet dva alotropa

U našem svakodnevnom životu, ugljenik postoji u mnogim oblicima, od kojih su najpoznatiji grafit u olovkama i blistavi dijamanti - dijamanti. Iako su izvedeni iz istog elementa, fizička svojstva ova dva elementa su vrlo različita, od boje, tvrdoće do tačke topljenja, pokazujući raznolikost i magiju ugljika.

Strukturne razlike: razumijevanje makroskopskih razlika od mikroskopskih

I dijamant i grafit su napravljeni od atoma ugljika povezanih kovalentnim vezama, ali njihov raspored je potpuno drugačiji. Dijamant je mnogo tvrđi od grafita jer su atomi ugljika u dijamantu raspoređeni u tetraedarskoj strukturi, a svaki atom ugljika je povezan s četiri druga ugljikova atoma, formirajući izuzetno tvrdu i jednoliku prostornu mrežnu strukturu. Bez obzira u kom smjeru se primjenjuje vanjska sila, veliki broj kovalentnih veza mora biti prekinut u isto vrijeme da bi se deformirala ili prekinula.

 

Nasuprot tome, čini se da je struktura grafita mnogo "labava". Atomi ugljika u grafitu su raspoređeni u slojevima, a atomi ugljika u svakom sloju su usko povezani kovalentnim vezama da formiraju heksagonalnu mrežu, dok su slojevi međusobno povezani slabijim van der Waalsovim silama. Razmak između slojeva je prevelik, a sila preslaba, pa se lako "razbija jedan po jedan" - prvo se lako "utrlja" u izuzetno tanke slojeve, a zatim se mikroskopska struktura sloja lako uništava vanjskim snage. Ova slojevita struktura daje grafitu dobru mazivost i plastičnost, što ga čini lakim za rezanje i oblikovanje, a njegova tvrdoća je mnogo manja od dijamanta.

 

Od grafita do dijamanta: čudo umjetne sinteze

S obzirom na ogromnu razliku između dijamanta i grafita, naučnici su dugo bili posvećeni istraživanju metoda za sintetizaciju dijamanta iz grafita. Od Moissanovog pokušaja visokotemperaturne električne peći, do kasnije metode eksplozije, metode taloženja parom, a zatim do moderne metode visoke temperature i visokog pritiska, svaka tehnološka inovacija označava produbljivanje ljudskog razumijevanja ugljičnih materijala i poboljšanje tehničkih sposobnosti. Posebno metoda taloženja parom i metoda visoke temperature i visokog pritiska, prva može uzgajati dijamantske filmove ili kristale na određenoj podlozi precizno kontrolirajući proces taloženja atoma ugljika; potonji koristi katalitički efekat katalizatora pod uslovima visoke temperature i visokog pritiska za pretvaranje grafita u velike čestice dijamanta, koje se koriste u industrijskim alatima za rezanje i nakitu.

 

Anomalija tvrdoće i tačke topljenja: Zašto dijamant ima nisku tačku topljenja?

Iz mikroskopske perspektive, topljenje znači da čestice koje čine supstancu dobijaju slobodu u trodimenzionalnom prostoru i mogu slobodno teći. Za dijamant i grafit ova sloboda zahtijeva istovremeno uništavanje velikog broja kovalentnih veza, pa su njihove tačke topljenja vrlo visoke.

 

Za većinu kristala, što je veća tvrdoća, to je viša tačka topljenja. Međutim, u slučaju dijamanta i grafita, tvrdoća i tačka topljenja su nedosljedni.

 

Iako je dijamant poznat po svojoj tvrdoći bez premca, njegova tačka topljenja je neočekivano niža od one kod grafita. Razlog za to je usko povezan sa snagom njihove kovalentne veze i strukturnim karakteristikama. Atomi ugljenika u dijamantu koriste sp3 hibridizaciju, a formirana dužina kovalentne veze je duža (0.155nm) i energija veze je relativno niska; dok atomi ugljenika u grafitu koriste sp2 hibridizaciju, dužina veze je kraća (0.142nm) i energija veze je veća. Stoga, kada se oba materijala transformišu iz čvrstog u tečnost, iako je potrebno prekinuti veliki broj kovalentnih veza, jače kovalentne veze u grafitu zahtevaju veću energiju za prekid, što rezultira višom tačkom topljenja za grafit nego za dijamant (3680 stepeni za grafit i 3550 stepeni za dijamant).

 

Toplotna provodljivost grafita i dijamanta

Grafit je materijal odlične toplotne provodljivosti, a njegova toplotna provodljivost je mnogo veća od mnogih uobičajenih materijala. Opseg toplotne provodljivosti grafita je generalno visok, ali specifična vrednost varira u zavisnosti od kvaliteta grafita i uslova ispitivanja.

 

Slojevita struktura grafita je ključ njegove efikasne toplotne provodljivosti. Atomi ugljika u slojevima su čvrsto vezani jakim kovalentnim vezama kako bi formirali stabilnu strukturu, koja pogoduje brzom prijenosu topline. Međutim, budući da su slojevi povezani slabim van der Waalsovim silama, toplinska provodljivost grafita u međuslojnom smjeru je relativno slaba. Uprkos tome, grafit se još uvek široko koristi kao materijal za upravljanje toplotom u okruženjima sa visokim temperaturama, kao što su hladnjaci, toplotno provodljivi filmovi, itd. Njegova odlična toplotna provodljivost i hemijska stabilnost igraju važnu ulogu u ovim primenama.

 

Za dijamant, iako je dijamant izolator i ne sadrži slobodne elektrone, on ima najbolju toplotnu provodljivost od svih čvrstih materija. Njegova toplotna provodljivost spada među najbolje u prirodi. ‌Na sobnoj temperaturi, toplotna provodljivost dijamanta može doseći 2000~2200 W/(m·K), što je 4~5 puta više od bakra i srebra, 4 puta više od silicijum karbida (SiC), 13 puta više od silicijuma ( Si), i 43 puta više od galijum arsenida (GaAs). Pored toga, toplotna provodljivost dijamanta tipa IIa na temperaturi tečnog azota može dostići 25 puta veću od bakra, pokazujući super toplotnu provodljivost. Dijamant ima stabilna hemijska svojstva, otporan je na kiseline i lužine i ne reaguje sa određenim hemikalijama na visokim temperaturama. Ova svojstva mu omogućavaju održavanje dobre toplotne provodljivosti čak iu ekstremnim okruženjima.

 

U strukturi dijamanta nema slobodnih elektrona, pa kako on može imati toplotnu provodljivost? Ispada da je suština toplinske provodljivosti i električne provodljivosti različita, što je određeno mikroskopskom prirodom topline - mikroskopska suština topline je kretanje čestica. Ako je brzina kretanja mikroskopskih čestica velika, vanjska manifestacija je visoka temperatura. Ovo kretanje mikroskopskih čestica može biti slobodno i nepravilno, ili može biti samovibracija na rešetki. Može se zamisliti da se odlična toplinska provodljivost dijamanta postiže vibracijom samih atoma ugljika na rešetki. Zbog visoko uređenog rasporeda dijamantske rešetke i činjenice da je frekvencija njegove vibracije vrlo konzistentna s frekvencijom potrebnom za provođenje topline (u suštini elektromagnetnog valova), ova vibracija atoma ugljika može lako uzrokovati rezonanciju u kristalu, a time i brzo provode toplotu sa jednog mesta na drugo, čineći dijamant čvrstu supstancu sa najboljom toplotnom provodljivošću.

 

Ova jedinstvena toplotna provodljivost čini dijamant širokom upotrebom u visokotehnološkim poljima. Na primjer, u pakiranju poluvodičkih čipova, dijamant može brzo provesti toplinu kako bi spriječio loš rad čipa ili smanjio pouzdanost zbog previsoke temperature. Pored toga, dijamant se takođe koristi za proizvodnju hladnjaka i materijala za interfejs visoke toplotne provodljivosti za elektronske uređaje velike snage. Zbog svoje visoke toplinske provodljivosti i niskog koeficijenta toplinske ekspanzije, može učinkovito smanjiti promjenu dimenzija materijala kada se temperatura promijeni i poboljšati stabilnost i pouzdanost opreme.

Kako alotropi ugljika, dijamant i grafit pokazuju potpuno različita makroskopska svojstva kroz svoje jedinstvene mikrostrukture. Od njihove međusobne transformacije do anomalnih fizičkih svojstava, svako otkriće je duboko otkrivanje misterija prirode i svjedočanstvo ljudske mudrosti i tehnološkog napretka.