Почему графит проводит электрический ток в направлении вдоль слоев и не проводит в перпендикулярном
Перейти к содержимому

Почему графит проводит электрический ток в направлении вдоль слоев и не проводит в перпендикулярном

  • автор:

9 Графит

Графит (от греч. γραφειν — пишу) — минерал из класса самородных элементов, одна из аллотропных модификаций углерода. Графит представляет собой распространенный природный минерал, зале­гающий в виде зернистых, чешуйчатых или пластинчатых масс, содержащих иногда до 20 % минеральных примесей (Si, Al, Fe, Mg и др.). Его происхожде­ние в природе связано с воздействием высоких температур и давлений на по­роды типа каменных углей и битумов.

Условия нахождения в природе. Сопутствующие минералы: пирит, гранаты, шпинель. Образуется при высокой температуре в вулканических и магматических горных породах, в пегматитах и скарнах. Встречается в кварцевых жилах с вольфрамитом и др. минералами в среднетемпературных гидротермальных полиметаллических месторождениях. Широко распространён в метаморфических породах — кристаллических сланцах, гнейсах, мраморах. Крупные залежи образуются в результате пиролиза каменного угля под воздействием траппов на каменноугольные отложения (Тунгусский бассейн). Акцессорный минерал метеоритов.

Структура. Структура слоистая. Слои кристаллической решетки могут по разному располагаться относительно друг друга, образуя целый ряд политипов, с симметрией от гексагональной сингонии (дигексагонально-дипирамидальный), до тригональной (дитригонально-скаленоэдрический). Слои слабоволнистые почти плоские, состоят из шестиугольных слоев атомов углерода (рисунок 9.1). Кристаллы пластинчатые, чешуйчатые.

с – расстояние между плоскостями

Рисунок 9.1 — Структура графита.

Гексагональная ячейка графита относится к пространственной группе с че­тырьмя атомами, приходящимися на элементарную ячейку. Последняя пред­ставляет собой призму высотой 0,671 нм с ромбом в основании. Стороны ром­ба равны 0,246 нм с углом 60°. В каждой плоскости углеродные атомы образуют сетку правильных шестигранников (рисунок 8.1). При этом атомы углерода расположены в вершинах правильных плотноупакованных шестиугольников (гексагонов); эти плоскости называются базисными. Каждый атом в базисной плоскости связан с тремя соседними, расположенными от него на расстоянии 0,1415 нм. Энергия связи между атомами составляет 710 кДж/моль. Существуют гексагональная и ромбоэдрическая кристаллические модификации графита. Силы взаимодейст­вия между базисными плоскостями малы и являются силами Ван-дер-Ваальса. Энергия связи между плоскостями от 4,2 до 18,2 кДж/моль, расстояние 0,3354 нм. Внутри слоя атомы углерода связаны между собой ковалентными sp 2 -связями.

Графиту соответствует «паркетный» полимер, состоящий из атомов углерода sp 2 -гибридизации, расположенных в одной плос­кости (решетка двухмерная). В кристаллах графита и алмаза атомы углерода находятся в разных гиб­ридных состояниях. Стабильность этих кристаллических форм изменяется в зависимости от окружающих условий.

Кри­сталлографическая структура идеального кристалла графита по­казана на рисунке 9.2, а. Форма и размер кристаллов графита характеризуют толщиной пакета Lс, определяется числом слоев в пакете; шириной углеродного слоя Lа, ширина слоя в направлении «а» (рисунок 8.1); межплоскостным расстоянием d002 = с/2. Расстояние между плоскостями идеального кри­сталла графита d002 составляет 3,35 Å. Параметры кристаллической решетки графита различны для различных графитов:

Графит:

Средний размер кристаллита Lа, Å

Рисунок 9.2 — Кристаллографическая структура идеального кристалла графита (а) и графита с турбостратной структурой (б).

В базовых плоскостях атомы углерода соединены очень прочными ковалентными связями. Теоретический предел прочности и теоретический модуль упру­гости кристалла графита при растяжении вдоль плоскости слоев составляют соответственно 100 и 1000 ГПа. Межплоско­стное взаимодействие определяется относительно слабыми Ван-дер-Ваальсовыми силами, что приводит к низким значениям механических свойств кристалла в направлении, перпендикуляр­ном к слоям. Так, например, теоретический модуль упругости поперек слоев составляет только 35 ГПа.

Ценную информацию о термодинамических параметрах (Т, Р), при кото­рых устойчивы кристаллические модификации углерода — графит и алмаз, дает диаграмма состояния углерода.

На рисунке 9.3 представлена общепринятая диаграмма состояний углерода. На ней указаны области температуры и давления, где стабильна та или иная фаза углерода.

Рисунок 9.3 — Схематическое изображение диаграммы состояния углерода.

Из приведенной диаграммы следует, что при обычных температурах и давлениях графит устойчив в термодинамическом отношении, а алмаз нет. Од­нако скорость превращения алмаза в графит при температурах до 1300 К и ат­мосферном давлении практически равна нулю. В этих условиях, как показыва­ют наблюдения над природными алмазами, последние могут сохраняться бес­конечно долго.

Свойства. Кроме природного, известны искусственные графиты, получаемые раз­личными способами. Для всех видов искусственного и природного графитов свойственны раз­личные устойчивые дефекты структуры (дефекты слоевой укладки, двойники, винтовые и краевые дислокации, «дырочные» дефекты), что обусловливает из­менение в весьма широком диапазоне механических, теплофизических, полу­проводниковых и других свойств углеродных материалов.

Теоретическая плот­ность графита — 2270 кг/м 3 ; искусственные графиты из-за дефектов структуры и пористости имеют более низкую плотность. Дефекты структуры увеличивают межслоевой расстояние, что приводит к снижению плотности. Промышленные графиты имеют плотность 1,5 — 2,23 г/см 3 .

Плоскости в графите представляют собой систему сопряженных связей углерода, вследствие чего графит имеет высокую теплостойкость.

Сочетание ковалентных (в плоскости слоя) и Ван-дер-Ваальсовых сил ме­жду слоями предопределяет сильную анизотропию физико-механических свойств вдоль параллельных и перпендикулярных направлений к поверхности чешуек графита. Так, например, прочность при сжатии для конструкционного графита марки ГМЗ вдоль плоскости чашуек составляет 35 МПа, а поперек 37 МПа; для пиролитического графита 120 и 470 МПа соответственно. Физико-механические свойства графитов различных марок представлены в таблице 9.1.

Таблица 9.1 — Физико-механические свойства графитов различных марок.

Показатель

Электродный

Реакторный

Пирографит*

Плотность, г/см 3

Прочность при, МПа

Модуль Юнга, ГПа

Коэффициент теплопроводности, Вт/(смК)

Удельное объемное электросопротивление, оммм 2 /м

Примечание: * числитель – параллельно оси «с» кристалла; знаменатель – перпендикулярно оси «с» кристалла.

Графит хорошо проводит электрический ток. В отличие от алмаза обладает низкой твёрдостью (1-2 по шкале Мооса). Цвет серый, блеск металлический. Неплавок, устойчив при нагревании в отсутствии воздуха, интенсивное окисление на воздухе начинается при Т выше 500 0 С. По магнитным свойствам графит относится к группе «аномальных» диамагнетиков, хорошо поглощает жесткое радиационное излучение. В кислотах не растворяется. Жирный на ощупь. Природный графит содержит 10—12 % примесей глин и окислов железа.

В различных кристаллографических направлениях термическое расширение графита анизотропно. Для кристаллов графита различают два компонента термического расширения: в направлении гексагональной оси (с) и перпендикулярно оси (а) (рисунок 9.4).

1 – природный графит; 2 – пиролитический графит.

Рисунок 9.4 – Зависимость термических коэффициентов расширения

графита от температуры.

Графит обладает высокими самосмазывающими свойствами, обусловленными его высокой адгезией к различным поверхностям и легкостью скольжения по плоскостям спайности. Высокие антифрикционные свойства графита определяются образованием на скользящих поверхностях защитного слоя из гексагональных сеток атомов углерода. Коэффициент трения при скольжении полированного алюминия по графиту равен 0,18, полированной стали по реакторному графиту равен 0,2; графита по графиту 0,22.

Искусственный синтез. Получают нагреванием смеси кокса и пека до 2800°C; из газообразных углеводородов при температуре 1400—1500°С в вакууме с последующим нагреванием образовавшегося пироуглерода до температуры 2500—3000°С при давлении 50 МПа (образовавшийся продукт — пирографит).

Применение. Использование графита основано на ряде его уникальных свойств. Основные области применения графита: для изготовления плавильных тиглей, футеровочных плит — применение основано на высокой температурной стойкости графита (в отсутствие кислорода), на его химической стойкости к целому ряду расплавленных металлов; для электродов, нагревательных элементов — благодаря высокой электропроводности и химической стойкости к практически любым агрессивным водным растворам (намного выше, чем у благородных металлов); для получения химически активных металлов методом электролиза расплавленных соединений. В частности, при получении алюминия используются сразу два свойства графита: хорошая электропроводность, и как следствие — его пригодность для изготовления электрода; газообразность продукта реакции, протекающей на электроде — это углекислый газ. Газообразность продукта означает, что он выходит из электролизера сам, и не требует специальных мер по его удалению из зоны реакции; для твёрдых смазочных материалов, в комбинированных жидких и пастообразных смазках; в качестве наполнителя пластмасс; как замедлитель нейтронов в ядерных реакторах; как компонент состава для изготовления стержней для чёрных графитовых карандашей (в смеси с каолином); для получения синтетических алмазов.

1. Конкин А.А. Углеродные и другие жаростойкие волокнистые материалы. – М.: Химия, 1974. -376 с.

2. Рогайлин М.И., Чалых Е.Ф. Справочник по углеграфитовым материалам. – Л.: Химия, 1974 .- 208 с.

3. Бушуев Ю.Г., Персин М.И., Соколов В.А. Углерод-углеродные композиционные материалы: Справочник. – М.: Металлургия, 1994. – 128 с.

Почему графит проводит ток а алмаз нет Почему графит проводит ток а алмаз нет

По сути из-за расстояния между отдельными атомами. Из-за их расположения у графита очень узкая запрещённая зона, почти отсутствует (как и у металлов), что позволяет им свободно перемещаться, а вот у алмаза она куда шире, так что он не проводник, а скорее широкозонный полупроводник, и для появления электронов проводимости ему нужно передать дофига энергии, а без них тока не будет.

White RabbitИскусственный Интеллект (313508) 6 лет назад
«очень узкая запрещённая зона» равна НУЛЮ. но она есть)))

Допустимое отклонение Искусственный Интеллект (111303) Ну так-то если посмотреть, то даже в разрешённой зоне есть какие-никакие запрещённые, так как это по сути расщеплённые уровни, так что считается.

В кристалле алмаза в атомах углерода все электроны задействованы в образовании связей друг с другом, поэтому он не проводит электрический
ток, т. к. нет частиц, которые переносили бы заряд. А в молекуле графита в атомах углерода в образовании гибридных орбиталей участвуют 3 электрона, а один электрон остается негибридизированным, за счет него графит и проводит электрический ток.

Задача из главы Строение вещества по предмету Химия из задачника Химия 11, Габриелян (11 класс)

White RabbitИскусственный Интеллект (313508) 6 лет назад

Габриэлян сильно упростил задачу, чтобы не влезать в квантовую теорию твёрдого тела. На самом деле последний электрон тоже участвует — в межслоевых связях! Просто расстояния больште, связи слабые. Но они НЕ перекрываются, просто касаются (уникальный случай, других я не знаю — графитовый (графеновый) слой — это полупроводник с НУЛЕВОЙ шириной запрещённой зоны, то есть проводимость (но полупроводниковая) появляется при любых температурах, отличных от 0 К
Но вот свободных электронов, как в металле — там нет. Графит становится металлом только когда в нём много дефектов и примесей
Впрочем для графита — ото обычное состояние.

White Rabbit Искусственный Интеллект (313508) ЗЫ. Не сочтите за критику — пишу для автора вопроса — чтобы ответ школьный знал, но понимал, что всё не так, как на самом деле)))

Читаем ВИКИПЕДИЮ: Электрическая проводимость монокристаллов графита анизотропна, в направлении, параллельном базисной плоскости, близка к металлической, в перпендикулярном — в сотни раз меньше. Минимальное значение проводимости наблюдается в интервале 300—1300 К, причём положение минимума смещается в область низких температур для совершенных кристаллических структур. Наивысшую электрическую проводимость имеет рекристаллизованный графит.
То есть электроны, которые не задействованы в сигма-связях, и будут способны перемещаться по циклам в одном слое (а не между слоями), обеспечивая электропроводность!

Семь обличий углерода

Важная область практического применения новейших открытий в области физики, химии и даже астрономии — создание и исследование новых материалов с необычными, подчас уникальными свойствами. О том, в каких направлениях ведутся эти работы и чего уже сумели добиться ученые, мы расскажем в серии статей, созданных в партнерстве с Уральским федеральным университетом. Первый наш текст посвящен необычным материалам, которые можно получить из самого обычного вещества — углерода.

Если спросить у химика, какой элемент самый важный, можно получить массу разных ответов. Кто-то скажет про водород — самый распространенный элемент во Вселенной, кто-то про кислород — самый распространенный элемент в земной коре. Но чаще всего вы услышите ответ «углерод» — именно он лежит в основе всех органических веществ, от ДНК и белков до спиртов и углеводородов.

Наша статья посвящена многообразным обличьям этого элемента: оказывается, только из его атомов можно построить десятки различных материалов — от графита до алмаза, от карбина до фуллеренов и нанотрубок. Хотя все они состоят из абсолютно одинаковых атомов углерода, их свойства радикально отличаются — а главную роль в этом играет расположение атомов в материале.

Графит

Чаще всего в природе чистый углерод можно встретить в форме графита — мягкого черного материала, легко расслаивающегося и словно скользкого на ощупь. Многие могут вспомнить, что из графита делаются грифели карандашей — но это не всегда верно. Часто грифель делают из композита графитовой крошки и клея, но встречаются и полностью графитовые карандаши. Интересно, но на карандаши уходит больше одной двадцатой всей мировой добычи естественного графита.

Чем необычен графит? В первую очередь, он хорошо проводит электрический ток — хотя сам углерод и не похож на другие металлы. Если взять пластинку графита, то окажется, что вдоль ее плоскости проводимость примерно в сто раз больше, чем в поперечном направлении. Это напрямую связано с тем, как организованы атомы углерода в материале.

Если посмотреть на структуру графита, то мы увидим, что она состоит из отдельных слоев толщиной в один атом. Каждый из слоев — сетка из шестиугольников, напоминающая собой соты. Атомы углерода внутри слоя связаны ковалентными химическими связями. Более того, часть электронов, обеспечивающих химическую связь, «размазана» по всей плоскости. Легкость их перемещения и определяет высокую проводимость графита вдоль плоскости углеродных чешуек.

Отдельные слои соединяются между собой благодаря ван-дер-ваальсовым силам — они гораздо слабее, чем обычная химическая связь, но достаточны для того, чтобы кристалл графита не расслаивался самопроизвольно. Такое несоответствие приводит к тому, что электронам гораздо сложнее перемещаться перпендикулярно плоскостям — электрическое сопротивление возрастает в 100 раз.

Благодаря своей электропроводности, а также возможности встраивать атомы других элементов между слоями, графит применяется в качестве анодов литий-ионных аккумуляторов и других источников тока. Электроды из графита необходимы для производства металлического алюминия — и даже в троллейбусах используются графитовые скользящие контакты токосъемников.

Кроме того, графит — диамагнетик, причем обладающий одной из самых высоких восприимчивостей на единицу массы. Это означает, что если поместить кусочек графита в магнитное поле, то он всячески будет пытаться вытолкнуть это поле из себя — вплоть до того, что графит может левитировать над достаточно сильным магнитом.

И последнее важное свойство графита — невероятная тугоплавкость. Самым тугоплавким веществом на сегодняшний день считается один из карбидов гафния с температурой плавления около 4000 градусов Цельсия. Однако если попытаться расплавить графит, то при давлениях около ста атмосфер он сохранит твердость вплоть до 4800 градусов Цельсия (при атмосферном давлении графит сублимирует — испаряется, минуя жидкую фазу). Благодаря этому материалы на основе графита используют, например, в корпусах ракетных сопел.

Алмаз

Многие материалы под давлением начинают менять свою атомарную структуру — происходит фазовый переход. Графит в этом смысле ничем не отличается от других материалов. При давлениях в сто тысяч атмосфер и температуре в 1–2 тысячи градусов Цельсия слои углерода начинают сближаться между собой, между ними возникают химические связи, а когда-то гладкие плоскости становятся гофрированными. Образуется алмаз, одна из самых красивых форм углерода.

Свойства алмаза радикально отличаются от свойств графита — это твердый прозрачный материал. Его чрезвычайно сложно поцарапать (обладатель 10-ки по шкале твердости Мооса, это максимум твердости). При этом электропроводность алмаза и графита отличается в квинтиллион раз (это число с 18 нулями).

Этим определяется применение алмазов: большая часть добываемых и получаемых искусственно алмазов используется в металлообработке и других отраслях промышленности. Например, широко распространены точильные диски и режущие инструменты с алмазным порошком или напылением. Алмазные напыления используются даже в хирургии — для скальпелей. Об использовании этих камней в ювелирной промышленности хорошо известно всем.

Потрясающая твердость находит применение и в научных исследованиях — именно с помощью высококачественных алмазов в лабораториях изучают материалы при давлениях в миллионы атмосфер. Подробнее об этом можно прочитать в нашем материале «Путешествие к центру Земли».

Графен

Вместо того чтобы сжимать и нагревать графит, мы, следуя за Андреем Геймом и Константином Новоселовым, приклеим к кристаллу графита кусочек скотча. Затем отклеим его — на скотче останется тонкий слой графита. Повторим эту операцию еще раз — приложим скотч к тонкому слою и снова отклеим. Слой станет еще тоньше. Повторив процедуру еще несколько раз, мы получим графен — материал, за который вышеупомянутые британские физики получили Нобелевскую премию в 2010 году.

Графен представляет собой плоский монослой из атомов углерода, полностью идентичный атомарным слоям графита. Его популярность связана с необычным поведением электронов в нем. Они двигаются так, словно бы вовсе не обладают массой. В действительности, конечно, масса электронов остается все той же, что и в любом веществе. Во всем «виноваты» атомы углерода графенового каркаса, притягивающие заряженные частицы и образующие особенное периодическое поле.

Следствием такого поведения стала большая подвижность электронов — они перемещаются в графене гораздо быстрее, чем в кремнии. По этой причине многие ученые надеются, что основой электроники будущего станет именно графен.

Интересно, что у графена есть углеродные собратья — пентаграфен и фаграфен. Первый из них состоит из немного искаженных пятиугольных секций и, в отличие от графена, плохо проводит электрический ток. Фаграфен состоит из пяти-, шести- и семиугольных секций. Если свойства графена одинаковы во всех направлениях, то фаграфен будет обладать выраженной анизотропией свойств. Оба этих материала были предсказаны теоретически, но в реальности пока не существуют.

Углеродные нанотрубки

Представьте себе, что вы свернули небольшой кусочек графенового листа в трубку и склеили ее края. Получилась полая конструкция, состоящая из тех же самых шестиугольников атомов углерода, что и графен и графит, — углеродная нанотрубка. Этот материал во многом родственен графену — он обладает высокой механической прочностью (когда-то из углеродных нанотрубок предлагали строить лифт в космос), высокой подвижностью электронов.

Однако есть одна необычная особенность. Графеновый лист можно скручивать параллельно воображаемому краю (стороне одного из шестиугольников), а можно и под углом. Оказывается, от того, как мы скрутим углеродную нанотрубку, будут очень сильно зависеть ее электронные свойства, а именно: будет она больше похожа на полупроводник с запрещенной зоной или на металл.

Когда углеродные нанотрубки наблюдались впервые, достоверно неизвестно. В 1950–1980-х года разные группы исследователей, занимавшихся катализом реакций с участием углеводородов (например, пиролиза метана), обращали внимание на продолговатые структуры в саже, покрывавшей катализатор. Сейчас, чтобы синтезировать углеродные нанотрубки только конкретного вида (конкретной хиральности), химики предлагают использовать специальные затравки. Это небольшие молекулы в виде колец, состоящих, в свою очередь, из шестиугольных бензольных колец. Про работы по их синтезу можно почитать, например, здесь.

Как и графен, углеродные нанотрубки могут найти большое применение в микроэлектронике. Уже сейчас созданы первые транзисторы на нанотрубках, превосходящие по своим свойствам традиционные кремниевые приборы. Кроме того, нанотрубки легли в основу транзистора с самым маленьким затвором в мире.

Карбин

Говоря о вытянутых структурах из атомов углерода, нельзя не упомянуть карбины. Это линейные цепочки, которые по оценкам теоретиков могут оказаться самым прочным материалом из возможных (речь идет об удельной прочности). К примеру, модуль Юнга для карбина оценивается в 10 гиганьютон на килограмм. У стали этот показатель в 400 раз меньше, у графена — по меньшей мере в два раза меньше.

Карбины бывают двух типов, в зависимости от того, как устроены связи между атомами углерода. Если все связи в цепочке одинаковые, то речь идет о кумуленах, если же связи чередуются (одинарная-тройная-одинарная-тройная и так далее), то о полиинах. Физики показали, что нить карбина можно «переключать» между этими двумя видами путем деформации — при растяжении кумулен превращается в полиин. Интересно, что это радикально меняет электрические свойства карбина. Если полиин проводит электрический ток, то кумулен— диэлектрик.

Главная сложность в изучении карбинов — их очень сложно синтезировать. Это химически активные вещества, к тому же легко окисляющиеся. На сегодняшний день получены цепочки длиной лишь в шесть тысяч атомов. Чтобы достигнуть этого, химикам пришлось растить карбин внутри углеродной нанотрубки. Кроме того, синтез карбина поможет побить рекорд размера затвора в транзисторе — его удастся уменьшить до одного атома.

Фуллерены

Хотя шестиугольник — одна из самых стабильных конфигураций, которые могут образовывать атомы углерода, есть целый класс компактных объектов, где встречается правильный пятиугольник из углерода. Эти объекты называются фуллеренами.

В 1985 году Гарольд Крото, Роберт Кёрл и Ричард Смолли исследовали пары углерода и то, в какие фрагменты слипаются атомы углерода при охлаждении. Оказалось, что в газовой фазе есть два класса объектов. Первый — кластеры, состоящие из 2–25 атомов: цепочки, кольца и другие простые структуры. Второй — кластеры, состоящие из 40–150 атомов, не наблюдавшиеся ранее. За следующие пять лет химикам удалось доказать, что этот второй класс представляет собой полые каркасы из атомов углерода, наиболее устойчивый из которых состоит из 60 атомов и повторяет по форме футбольный мяч. C60, или бакминстерфуллерен, состоял из двадцати шестиугольных секций и 12 пятиугольных, скрепленных между собой в сферу.

Открытие фуллеренов вызвало большой интерес химиков. Впоследствии был синтезирован необычный класс эндофуллеренов — фуллеренов, в полости которых находился какой-либо посторонний атом или небольшая молекула. К примеру, всего лишь год назад в фуллерен впервые поместили молекулу плавиковой кислоты, что позволило очень точно определить ее электронные свойства.

В 1991 году оказалось, что фуллериды — кристаллы фуллеренов, в которых часть полостей между соседними многогранниками занимают металлы, — это молекулярные сверхпроводники с рекордно высокой температурой перехода для этого класса, а именно 18 кельвин (для K3C60). Позднее нашлись фуллериды и с еще большей температурой перехода — 33 кельвина, Cs2RbC60. Такие свойства оказались напрямую связаны с электронной структурой вещества.

Q-углерод

Среди недавно открытых форм углерода можно отметить так называемый Q-углерод. Впервые он был синтезирован американскими материаловедами из Университета Северной Каролины в 2015 году. Ученые облучали аморфный углерод с помощью мощного лазера, локально разогревая материал до 4000 градусов Цельсия. В результате примерно четверть всех атомов углерода в веществе принимала sp 2 -гибридизацию, то есть то же электронное состояние, что и в графите. Остальные атомы Q-углерода сохраняли гибридизацию, характерную для алмаза.

В отличие от алмаза, графита и других форм углерода, Q-углерод оказался ферромагнетиком, таким как магнетит или железо. При этом его температура Кюри составила около 220 градусов Цельсия — только при таком нагреве материал терял свои магнитные свойства. А при допировании Q-углерода бором физики получили еще один углеродный сверхпроводник, с температурой перехода уже около 58 кельвинов.

Перечисленное — не все известные формы углерода. Более того, прямо сейчас теоретики и экспериментаторы создают и изучают новые углеродные материалы. В частности, такие работы ведутся в Уральском федеральном университете. Мы обратились к Анатолию Федоровичу Зацепину, доценту и главному научному сотруднику Физико-технологического института УрФУ, чтобы выяснить, как можно предсказывать свойства еще не синтезированных материалов и создавать новые формы углерода.

Анатолий Зацепин работает над одним из шести прорывных научных проектов УрФУ «Разработка фундаментальных основ новых функциональных материалов на базе низкоразмерных модификаций углерода». Работа осуществляется с академическими и индустриальными партнерами России и мира.

Проект реализует Физико-технологический институт УрФУ — стратегическая академическая единица (САЕ) университета. От успеха исследователей зависят позиции университета в российских и международных рейтингах, прежде всего в предметных.

N + 1: Свойства углеродных наноматериалов очень сильно зависят от структуры и варьируются в широких пределах. Можно ли как-то заранее предсказать свойства материала по его структуре?

Анатолий Зацепин: Предсказать можно, и мы этим занимаемся. Существуют методы компьютерного моделирования, с помощью которых осуществляются расчеты из первых принципов (ab initio) — мы закладываем определенную структуру, моделируем и берем все фундаментальные характеристики атомов, из которых состоит эта структура. В результате получаются те свойства, которыми может обладать материал или новое вещество, которое мы моделируем. В частности, что касается углерода, мы сумели смоделировать новые модификации, не известные природе. Их можно создать искусственно.

В частности, наша лаборатория на физтехе УрФУ сейчас занимается разработкой, синтезом и исследованиями свойств новой разновидности углерода. Ее можно назвать так: двумерно-упорядоченный линейно-цепочный углерод. Такое длинное название связано с тем, что этот материал представляет из себя так называемую 2D-структуру. Это пленки, составленные из отдельных цепей углерода, причем в пределах каждой цепи атомы углерода находятся в одной и той же «химической форме» — sp 1 -гибридизация. Это придает совершенно необычные свойства материалу, в цепочках sp 1 -углерода прочность превышает прочность алмаза и других углеродных модификаций.

Когда мы формируем из этих цепочек пленки, получается новый материал, обладающий свойствами, присущими цепочкам углерода, плюс к тому совокупность этих упорядоченных цепочек формирует двумерную структуру или сверхрешетку на специальной подложке. Такой материал обладает большими перспективами не только благодаря механическим свойствам. Самое главное, что углеродные цепочки в определенной конфигурации можно замкнуть в кольцо, при этом возникают очень интересные свойства, такие как сверхпроводимость, а магнитные свойства таких материалов могут быть лучше, чем у существующих ферромагнетиков.

Задача остается в том, чтобы их реально создать. Наше моделирование показывает путь, куда двигаться.
Как сильно отличаются реальные и предсказанные свойства материалов?

Погрешность всегда существует, но дело в том, что расчеты и моделирование из первых принципов используют фундаментальные характеристики отдельных атомов — квантовые свойства. И когда на таком микро- и наноуровне из этих квантовых атомов формируются структуры, то ошибки связаны с существующим ограничением теории и тех моделей, которые существуют. Например, известно, что уравнение Шредингера точно можно решить только для атома водорода, а для более тяжелых атомов надо использовать определенные приближения, если мы говорим о твердых телах или более сложных системах.

С другой стороны — ошибки могут возникать за счет компьютерных вычислений. При всем этом грубые ошибки исключены, а точности вполне достаточно, чтоб предсказать то или иное свойство или эффект, которые будут присущ данному материалу.

Много ли материалов можно предсказать такими способами?

Если говорить об углеродных материалах, то тут много вариаций, и я уверен, что многое еще не исследовано и не открыто. В УрФУ есть все для исследования новых углеродных материалов, и впереди предстоит большая работа.

Мы занимаемся и другими объектами, к примеру, кремниевыми материалами для микроэлектроники. Кремний и углерод — это, кстати, аналоги, они находятся в одной группе в таблице Менделеева.

Какая аллотропная модификация может проводить электрический ток

Когда речь идет о материалах, способных проводить электрический ток, на ум сразу приходят такие вещества, как металлы и полупроводники. Металлы, такие как медь, алюминий, железо и другие, обладают высокой электропроводностью и широко применяются в различных электротехнических устройствах и системах.

Однако, существуют и другие аллотропные модификации, способные проводить электрический ток, хотя и не настолько эффективно, как металлы. Например, графит — это одна из форм аллотропного углерода, которая обладает способностью проводить электрический ток.

В графите атомы углерода соединены в слоях, где каждый атом связан с тремя соседними атомами через сильные ковалентные связи. Однако, между слоями существуют слабые взаимодействия, позволяющие электронам свободно перемещаться по материалу. Благодаря этому, графит обладает достаточной электропроводностью для использования в различных приложениях, включая карандаши и электроды.

Еще одной аллотропной модификацией, обладающей электропроводностью, является графен.

Графен — это двумерный слой углерода, состоящий из атомов, соединенных в гексагональную решетку. Графен обладает уникальными электрическими свойствами, такими как высокая подвижность электронов и высокая теплопроводность.

Эти свойства делают графен перспективным материалом для использования в электронике и другом оборудовании, таких как создание ультрабыстрых транзисторов или прозрачных и гибких дисплеев.

А лмаз является другой формой углерода, но в отличие от графена и графита, он является изолятором. В алмазе каждый атом углерода связан с четырьмя другими атомами углерода в трехмерной кристаллической структуре. Эта кристаллическая структура не позволяет электронам свободно перемещаться, поэтому алмаз обладает очень низкой электрической проводимостью.

Алмаз и гарфит

Что такое аллотропная модификация

Аллотропная модификация относится к явлению, когда химический элемент может существовать в разных структурных формах или аллотропных модификациях. Эти модификации различаются внутренним строением, атомной упаковкой и физическими свойствами, но состоят из одного и того же химического элемента.

Примером аллотропной модификации является углерод. Углерод может существовать в нескольких различных формах, включая алмаз, графит, графен, углеродные нанотрубки и фуллерены. Каждая из этих форм имеет свою уникальную структуру и свойства.

Например, алмаз состоит из упорядоченной трехмерной решетки, где каждый атом углерода связан с четырьмя соседними атомами. Это придает алмазу его твердость и прозрачность.

С другой стороны, графит имеет слоистую структуру, где атомы углерода связаны в плоскости, но слои слабо связаны друг с другом. Это делает графит мягким и смазочным материалом. Графен представляет собой одноатомный слой графита, который обладает уникальными электронными и механическими свойствами.

Углеродные нанотрубки представляют собой цилиндрические структуры, состоящие из слоев графена, свернутых в форму трубки. У них есть высокая прочность и уникальные электрические свойства.

Фуллерены представляют собой сферические структуры, состоящие из углеродных атомов, образующих полые молекулы. Они обладают уникальными оптическими и химическими свойствами.

Аллотропные модификации могут иметь широкий спектр применений в различных областях, включая электронику, материаловедение, энергетику и медицину.

Как графит проводит электрический ток

Как графит проводит электрический ток

Как графит проводит электрический ток

Графит является аллотропной модификацией углерода и обладает способностью проводить электрический ток. Это свойство графита объясняется его уникальной структурой.

В графите атомы углерода соединены в слоях, где каждый атом связан с тремя соседними атомами через сильные ковалентные связи. Эти связи образуют плоскую структуру, которая напоминает шестиугольную решетку. Каждый атом углерода в этой структуре имеет четыре электрона в своей валентной оболочке.

Однако, между слоями графита существуют слабые взаимодействия, называемые ван-дер-ваальсовыми силами. Именно благодаря этим слабым взаимодействиям электроны в графите могут свободно перемещаться по слоям. Электроны в графите образуют так называемые пи-электронные облака, которые являются общими для всего слоя. Это создает электронную систему с делимыми электронами.

Поскольку электроны в графите свободно двигаются вдоль слоев, они могут проводить электрический ток. Когда на графитное изделие подается напряжение или электрический потенциал, электроны начинают двигаться по направлению отрицательного потенциала к положительному потенциалу. Это создает электрический ток в графите.

Электропроводность графита зависит от его структуры и кристаллической ориентации. Например, графит с высокой степенью кристалличности обладает более высокой электропроводностью по сравнению с графитом, содержащим дефекты и примеси.

Электропроводность графита

Чем графен отличается от графита

Графен и графит являются различными аллотропными модификациями углерода и имеют существенные структурные и свойственные различия.

Графен представляет собой двумерный плоский лист углерода, состоящий из атомов, соединенных в шестиугольную решетку. Он является самым тонким известным материалом и обладает атомарной толщиной. Графит, с другой стороны, представляет собой трехмерную структуру, состоящую из слоев графена, в которых атомы углерода расположены в плоскостях. Слои графита связаны слабыми взаимодействиями ван-дер-ваальса.

Графен обладает уникальными электрическими свойствами. Он является отличным проводником электричества и обладает высокой подвижностью электронов. Электроны в графене образуют так называемые «дираковские» фермионы, которые обладают особыми свойствами в области квантовой механики.

Графит, с другой стороны, является хорошим электрическим проводником, но его проводимость ниже, чем у графена. Это связано с тем, что в графите электроны могут двигаться только вдоль слоев, в то время как в графене они могут свободно перемещаться в любом направлении.

Графен обладает исключительной прочностью и жесткостью. Он является одним из самых прочных материалов, известных человечеству, и при этом очень легким. Графит также обладает некоторой прочностью, но его механические свойства не настолько выдающиеся, как у графена.

Графен

Как графен проводит электрический ток

Графен обладает выдающимися электрическими свойствами и является отличным проводником электричества. Его способность проводить электрический ток объясняется особенностями его электронной структуры.

В графене каждый атом углерода соединен с тремя соседними атомами в плоской шестиугольной решетке. Каждый атом углерода в графене имеет четыре электрона в своей валентной оболочке. Три из этих электронов образуют сильные связи с соседними атомами углерода, формируя сплетение плоских слоев графена. Оставшийся электрон находится в плоскости графена и не образует связь.

В графене эти электроны формируют электронные облака, которые распространяются по всей плоскости. Они свободно перемещаются вдоль графена и могут проводить электрический ток.

Благодаря своей уникальной структуре, графен обладает высокой подвижностью электронов, что делает его отличным проводником.

Когда на графен подается напряжение или электрический потенциал, электроны начинают двигаться вдоль плоскости графена от отрицательного потенциала к положительному потенциалу, создавая электрический ток.

Электроны в графене могут перемещаться на большие расстояния без значительной потери энергии, что обуславливает высокую электропроводность материала.

Электрические свойства графена также могут быть контролируемыми. Например, путем наложения внешнего электрического поля или изменения химической окружающей среды можно изменять его электрическую проводимость. Это делает графен перспективным материалом для использования в электронике, наноэлектронике, сенсорах и других технологиях.

Важно отметить, что электрическая проводимость углерода зависит от его структуры и организации атомов. Графит и графен, благодаря своим плоским структурам, могут проводить электрический ток, в то время как алмаз, с его трехмерной структурой, является изолятором.

Полимерные материалы, обладающие электропроводностью

Существуют некоторые полимерные материалы, которые могут обладать электропроводностью при определенных условиях. Например, полиакетилен — это полимерный материал, который может стать полупроводником при добавлении примесей или подвержении определенной обработке. Такие полимерные материалы с электропроводностью называются полупроводниковыми полимерами.

Полупроводниковые полимеры обладают особенными структурными и химическими свойствами, которые позволяют электронам передвигаться внутри материала и проводить электрический ток. Обычно, полимеры являются изоляторами, то есть они не проводят электрический ток. Однако, путем введения допингованных примесей или изменения их структуры, можно изменить электрические свойства полимера.

Добавление примесей к полимерному материалу может создать либо тип носителей заряда, называемый «электронным типом», либо «дырочный тип». Электроны или дырки могут затем перемещаться внутри полимерной структуры, что позволяет проводить электрический ток. Этот процесс называется «инжекцией» или «инжекционной проводимостью».

Такие полупроводниковые полимеры имеют свои особенности и применения. Например, они могут использоваться в органической электронике, где создание гибких и недорогих электронных устройств является ключевым фактором. Полупроводниковые полимеры также могут использоваться в солнечных батареях, светодиодах и других электронных компонентах.

Важно отметить, что электропроводность полупроводниковых полимеров может быть меньше, чем у металлов или даже некоторых полупроводников, но они обладают другими преимуществами, такими как гибкость, легкость и низкая стоимость производства. Благодаря этим свойствам, полупроводниковые полимеры имеют потенциал для применения в различных сферах науки и техники.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *