Меню

Металл похожий на графит



Чем отличается графен от графита

Замечательный химический элемент, углерод — тот самый, что уютно расположился под номером 6 в четырнадцатой группе второго периода периодической системы химических элементов. С древних времен людям известны алмаз и графит — две из более чем девяти, обнаруженных на сегодняшний день, аллотропических модификаций данного элемента. Кстати, именно углерод имеет максимальное, по сравнению с другими веществами, число известных нынешней науке аллотропических модификаций.

Аллотропия предполагает возможность существования в природе одного и того же химического элемента в форме двух и более простых веществ, так называемых аллотропических форм или аллотропических модификаций, обуславливающих различия данных веществ как по строению, так и по свойствам. Так вот, у углерода таких основных форм 8: алмаз, графит, лонсдейлит, фуллерены (С60, С540 и С70), аморфный углерод и однослойная нанотрубка.

Есть среди этих форм углерода совершенно разные по свойствам и по характеру: мягкие и твердые, прозрачные и непрозрачные, дешевые и дорогие вещества. Однако, давайте сравним две схожие по своей основе модификации углерода — графит и графен.

С графитом мы все хорошо знакомы еще со школьной скамьи. Грифель простого карандаша — это как раз и есть графит. Он довольно мягок, на ощупь скользкий и жирный, кристаллы здесь пластинчатые, слои атомов располагаются друг над другом, поэтому при трении, например о бумагу, отдельные чешуйки слоистой кристаллической структуры графита легко отслаиваются, оставляя на бумаге характерный темный след.

Графит хорошо проводит электрический ток, его удельное сопротивление в среднем составляет 11 Ом*мм2/м, однако проводимость графита не равномерна в силу естественной анизотропии его кристаллов. Так, проводимость вдоль плоскостей кристалла в сотни раз превосходит проводимость поперек этих плоскостей. Плотность графита от 2,08 до 2,23 г/см3.

В природе графит образуется в условиях высоких температур в магматических и вулканических горных породах, в скарнах и пегматитах. Встречается в кварцевых жилах с минералами в гидротермальных среднетемпературных полиметаллических месторождениях. Широко распространен в метаморфических породах.

Так, крупнейшие мировые запасы природного чешуйчатого графита разрабатываются на острове Мадагаскар с 1907 года. Остров сложен докембрийскими метаморфическими породами, которые выступают на поверхность в гористой местности с гипсометрическими отметками 4000-4600 футов. Графит находится здесь в пределах пояса длиной в 400 миль, преобладает в горах восточной части центра острова.

Графен, в отличие от графита, не обладает объемной структурой кристалла, его отличает двумерная гексагональная кристаллическая решетка, всего в один атом толщиной. В такой аллотропической модификации углерод в естественной природе вообще не встречается, однако теоретически может быть получен искусственно. Можно сказать, что одна плоскость, намеренно отделенная от многослойной объемной кристаллической структуры графита — это и будет тот самый графен.

Получить графен в форме просто двумерной пленки у ученых изначально не получалось, в силу неустойчивости вещества в такой форме. Однако на подложке оксида кремния (благодаря связи со слоем диэлектрика) получить графен толщиной в один атом все же удалось: в 2004 году русские ученые Андрей Гейм и Константин Новоселов из Манчестерского университета опубликовали в журнале Science сообщение о получении графена таким способом.

И даже сегодня такие нехитрые способы получения графена для исследований, как механическое отшелушивание монослоя углерода от объемного кристалла графита при помощи скотча (и похожие методы) оправдывают себя.

Исследователи полагают, что благодаря их достижениям в скором времени появится новый класс наноэлектроники на базе графена, где полевые транзисторы будут иметь толщину менее 10 нм. Дело в том, что подвижность электронов в графене так высока (10 000 см2/В*с), что именно он представляется на сегодняшний день перспективнейшей альтернативой привычному кремнию.

Высокая подвижность носителей тока — это способность электронов и дырок чрезвычайно быстро реагировать на воздействие прикладываемых электрических полей, а это крайне важно для полевых транзисторов — основной рабочей единицы сегодняшней электроники.

Здесь же и перспективы создания различных биологических и химических датчиков, а также тонких пленок для фотоэлектрических устройств и сенсорных экранов. При всем при этом еще и теплопроводность графена в 10 раз превосходит медь, а данный критерий всегда очень важен для электроники.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Источник

Метал похожий на графит, которым раньше писали?!

писали химическим карандашем
из Берлинской лазури (синий пигмент получаемый из желтой кровяной соли и солей железа)

: Лет 20 назад было.. . Жаркий летний день в Душанбе. На скамеечках перед «хрущобой» сидит компания молодых лоботрясов (человек 7-8). Метрах в 30-ти на лужайке пощипывает травку ишак, осел то бишь. Жарко так, что мозги кипят. Пацаны лениво препираются на тему: «Кто ползет за «Клинским» (т. е. тогда за «Жигулевским»). Тащиться в жару никому неохота, бросать жребий — банально. Неожиданно все споры рекращаются по причине появления на горизонте незнакомой особи женского пола и весьма юного возраста. Создание неземной красоты в легкой маечке и обтягивающих джинсиках. Проникнувшись увиденным, пацаны набирают в грудь воздуха, чтобы отметить это чудо природы одобрительным присвистом. Внезапно в дело вмешивается ишак (осел) . Он широко раскрывает пасть и начинает громогласно выражать свое восхищение, напрочь прекрывая все остальные звуки. При этом (такая уж у них, ишаков, особенность) его немалых размеров ослиное «достоинство» вываливается наружу и болтается в такт с криками хозяина. Пацаны начинают ржать, а один из них нарочито громко спрашивает ангелочка: «Девушка, это случайно не вы карандаш потеряли? » и кивает на
ослиный «шланг». На что ангелочек, не останавливаясь и почти не задумываясь, выдает: «Иди проверь, если химический, то мой! » Ржание перерастает в гомерический гогот, пацаны валятся в траву, спрашивавший остается с открытым ртом и навек убитой репутацией, а неземное создание спокойно уплывает за горизонт. Финиш.

Читайте также:  Почему темнеет кожа от металла

ну и свинцовыми заточенными палочками

Источник

Семь обличий углерода

Как из одного и того же атома создать материалы с совершенно разными свойствами

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.

Читайте также:  Взаимодействие щелочных металлов с концентрированной азотной кислотой

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).

Источник

Незаменимый графен: как используют самый тонкий и прочный материал, известный человеку

Если 20 век был веком пластмасс, то 21 век, похоже, станет веком графена — недавно обнаруженного материала, изготовленного из листов углерода толщиной всего в один атом. В научных журналах графен описывают как самый лёгкий, самый прочный, самый тонкий, самый лучший тепло- и электропроводящий материал из когда-либо обнаруженных. Рассказываем, как и где его используют.

Что такое графен?

Учёные давно обнаружили, что углерод имеет две основные, но поразительно разные формы:

  • графит — мягкий, черный материал в карандашных грифелях;
  • алмаз — сверхтвёрдые, блестящие кристаллы в ювелирных изделиях.

Оба эти радикально отличающихся материала состоят из одинаковых атомов углерода. Но атомы внутри них расположены по-разному, и это дает двум формам совершенно разные свойства.

Так что же такое графен? Графен — это один слой графита. Он имеет плоскую кристаллическую решетку, состоящую из взаимосвязанных шестиугольников атомов углерода, плотно связанных между собой. Слои имеют высоту всего в один атом. Поэтому, чтобы получить графен толщиной 1 мм, понадобится стопка примерно из 3 миллионов таких слоёв.

Кто открыл графен?

Теоретические исследования графена начались в середине 20 века, но на протяжении нескольких десятилетий никто не мог получить этот материал на практике. Графен был произведён в лаборатории только в 2004 году русскими учёными Андреем Геймом и Константином Новосёловым , работающими в британском Университете Манчестера. С помощью клейкой ленты они сняли верхний слой графита. Затем исследователи растянули ленту, чтобы расщепить графит на ещё более мелкие слои. Проделав большую работу, они обнаружили, что у них есть несколько кусочков графита толщиной всего в один атом — другими словами графен. В знак признания важности их открытия Гейм и Новосёлов были удостоены Нобелевской премии по физике.

Свойства графена

То, как графен ведёт себя как материал, удивляет многих учёных. Перечислим его главные характеристики.

Прочность и жесткость

Считается, что графен является самым прочным материалом из когда-либо обнаруженных. Он примерно в 200 раз прочнее стали. Примечательно, что графен одновременно жесткий и эластичный. Это позволяет растягивать материал на удивительную величину (20-25% от его первоначальной длины), не сломав его.

Они также весьма необычны. Электроны в графене очень подвижны, что открывает возможность создания компьютерных чипов, которые работают быстрее и с меньшей мощностью, чем те, что мы используем сегодня.

Сверхтонкий графен, будучи толщиной всего в один атом, почти полностью прозрачен. Графен пропускает около 97-98% света. Для сравнения: у оконного стекла этот показатель не превышает 90%.

Как мы можем использовать графен?

Графен часто применяют в медицине. Его используют при создании сенсоров, определяющих биомаркеры. В частности, иммуноглобулин, опасные токсины, а также биомаркеры, связанные с онкологией и сердечно-сосудистыми заболеваниями. Это позволяет врачам по-новому диагностировать заболевания.

Более того, графен считается отличной заменой существующим материалам, которые были доведены до своих физических пределов. Например, кремниевые транзисторы (коммутационные устройства, используемые в качестве запоминающих устройств и логических элементов для принятия решений в компьютерах) за последние несколько десятилетий последовательно уменьшались и становились всё более мощными. Но учёные уже давно выражают опасения, что дальнейшие усовершенствования ограничены законами физики. Замена кремния графеном позволит создать ещё более мелкие и быстрые транзисторы.

Таким же образом графен мог бы революционизировать и другие области технологии, ограниченные традиционными материалами. Например, с его помощью можно создать конкурентоспособные по стоимости и более эффективные солнечные панели и более энергоэффективное оборудование для передачи энергии. Такие компании, как Samsung, Nokia и IBM уже разрабатывают графеновые заменители для сенсорных экранов, транзисторов и флэш-памяти, но разработка всё ещё находится на очень ранней стадии.

Источник

Графит – от карандаша до ядерного реактора

Этот минерал знаком каждому с детства. Сердцевина карандаша – не что иное, как камень графит.

Минерал задействован и в серьезных сферах деятельности, включая науку, оборонный комплекс и ядерный сектор.

Что такое графит

Как выглядит графит, знает каждый. Это грифель-сердцевинка обычного простого карандаша:

  • Минерал мягок, в чем несложно удостовериться: от неосторожного обращения карандаши ломаются.
  • Жирноват на ощупь, наделен разной твердостью и плотностью, на что указывают марки карандаша – от мягкой до твердой.
  • Цвета и оттенки – полная серая гамма с матовым или металлическим отблеском.

Возможность написания или рисования создает слоистая структура минерала.

Графит – это минерал, природная кристаллическая модификация углерода. Ближайшие родичи – алмаз, лонсдейлит, чароит. Их отличает структура. У графита она слоистая.

Графит можно превратить в алмаз, разогрев до 2000°C и поместив под давление в сотни атмосфер.

В природе «чистый» минерал не замечен, среди примесей обнаружены редкие, ценные металлы.

Читайте также:  Взаимодействие галогенов с галогенидами металлов

Налажено производство искусственного графита.

История

История и время формирования графита остается загадкой для науки: он слишком похож на другие минералы по описанию.

Единственная зацепка – глиняная утварь культуры Боян-Марицы (территория современных Болгарии и Румынии, 6 тыс. лет назад). Изделия раскрашены графитовыми красками.

Графитом минерал предложил именовать Абраам Вернер. Этот прославленный химик, «окрестивший» десятки камней, взял за основу свойство минерала оставлять четкий красящий след.

Древнегреческий термин γράφω означает «пишу».

На территории России графит найден в 1826 году на Урале.

В истории, литературе минерал фигурирует также как черный/серебристый свинец, карбидное железо.

Физико-химические характеристики

По химической номенклатуре минерал графит – это чистый углерод с формулой из одного символа (C).

Состав иногда дополняют абсорбированный газ, битум, вода, механические примеси.

Формула C (углерод)
Цвет Серый, чёрный стальной
Цвет черты Чёрная
Блеск Металловидный
Прозрачность Непрозрачный
Твёрдость 1–2
Спайность Совершенная по
Плотность 2,09–2,23 г/см³
Сингония Гексагональная (планаксиальная)

Класс минерала по международной номенклатуре – самородный элемент. По систематике СССР это неметалл, но наделен характеристиками, присущими металлам, – электропроводностью, магнетизмом.

Где и как добывается

Залежи графита промышленных объемов есть на всех континентах:

  • Обе Америки – США, Канада, Бразилия;
  • Европа – ФРГ, Гренландия, Италия;
  • Австралия.

Сырье каждого графитового рудника можно отличить по структуре, цвету, другим признакам.

Россия располагает тремя крупнейшими месторождениями:

  • Бурятия – качественное плотнокристаллическое сырье.
  • Краснодарский край (два) – плотно-, мелкокристаллический, чешуйчатый, графитовые сланцы.

Графиты формируются каменноугольным пиролизом либо под влиянием экстремально высоких температур и давления. Например, излияниями магмы на отложения каменного угля.

Его добывают наземным или подземным способами. Графитовые кристаллы находят в сланцах, мраморах, других органических породах.

Ежегодный мировой объем добычи графита – 600 тыс. тонн.

Разновидности

Природный графит многообразен, поэтому разработана классификация по нескольким признакам.

По составу и сферам применения:

  • Коллоидный. Техническая разновидность, порошок из искусственного графита. Используется промышленностью.
  • Пиролитический. Материал искусственного происхождения. Нашел применение как основа инструментария для исследований микроструктур.
  • Силицированный. Графит, обогащенный кремнием. Устойчив к коррозии.

Природный графит по структуре подразделяют на волокнистый, плотнокристаллический, чешуйчатый, графитовый сланец. Выделяют также разновидности – графитит и графитовую слюдку.

Искусственный графит

Графит синтезируют из кокса и пека. Это продукты переработки каменного угля, нефтяных смол, угольного дегтя. На них воздействуют химически и механически при высоких температурах. Исходное сырье предварительно сортируют, затем прокаливают, пропитывают. Получается материал почти абсолютной чистоты.

Искусственный графит применяют везде, от безобидного пластика до ядерного оборудования. Самые востребованные марки:

  • аккумуляторный;
  • карандашный;
  • литейный;
  • смазочный;
  • электроугольный;
  • элементный;
  • ядерный.

Под каждую марку, сферу использования графита подбирается точная пропорция пека и кокса.

Отличить рукотворные образцы несложно. Например, по треугольной штриховке на плоскостях. Она есть только у минерала природного происхождения.

Где используется

Графит почти универсален. В этом нет ничего необычного: необходимые характеристики закладываются на стадии его обработки. Так, одним требуется повышенная теплопроводность, другим – электропроводность. Третьих интересуют прочностные свойства графита.

С учетом кондиций готового продукта минерал востребован для следующих целей:

  • Производство тугоплавких емкостей.
  • Смазка при выплавке стали, сплавов.
  • Стержни ядерных реакторов на АЭС, других агрегатах.

Сувенирный графитовый блок

  • Добавка к составу пластиковых изделий, огнеупоров (керамики, кирпича).
  • Исходник частей электроприборов, подшипников, автомобильных рессор.
  • Краска, используемая промышленностью и в быту как защитное покрытие от ржавчины.
  • Сырье при изготовлении искусственных алмазов.
  • Ингредиент лекарств, пищевых парафинов, эфирных субстанций, спиртов, сахара.
  • Самое известное применение графита – сердцевина карандашей.

    Московские ученые создали из графита лекарство для лечения кожных заболеваний.

    Как ухаживать за графитом

    Графит имеет малую твердость, плотность, слоится, крошится. Эти свойства нужно иметь в виду, чтобы ухаживать за коллекционными образцами и другими изделиями правильно.

    Главное – исключить механическое воздействие, падения, удары. Коллекционные образцы лучше сразу покупать с боксом.

    Минерал инертен к большинству других веществ, поэтому загрязнения можно удалять теплой водой с моющими средствами.

    Лечебное влияние

    Первыми оценили графит гомеопаты. Они установили, что минерал подходит для лечения кожных патологий (экземы, псориаз, лишай, другие).

    Сегодня список расширен:

    • Нарушение обмена веществ.
    • Сбой в работе щитовидной железы.
    • Заболевания дыхательных путей (ринит, бронхиальная астма).
    • Проблемы ЖКТ (гастрит, язва желудка, 12-перстной кишки, колиты).
    • Женские недуги (аменорея, хроническое воспаление яичников, мастопатия).
    • Конъюнктивит, катаракта, ячмень.

    Минерал «курирует» также эмоциональное здоровье. Его прописывают при утренней головной боли, неврастении, апатии, депрессии.

    Магические свойства

    Эзотерики утверждают: магия графита создает для владельца мощный щит от внешнего негатива (сглаза, порчи, проклятия).

    Изделие или первозданный камень подойдёт как оберег дома, офиса.

    Графит по Зодиаку

    Астрологи установили, что графит – талисман Овнов. Влияние на остальные знаки Зодиака нейтральное.

    Стоимость

    В Сети представлено сырье технического назначения и коллекционный материал.

    При формировании цены сырья значение придается разновидности, габаритам, проценту углерода. В среднем это 43-47 руб. за кг. Коллекционный материал дороже. Так, образцы минерала 2,5-4,5 см из российских месторождений можно купить за 780-920 руб.

    Источник