«Карбин» — это материал, созданный из атомов углерода, которые определённым путём собрали в цепочку. Созданная в лаборатории новая форма углерода – «Карбин», который можно было бы пощупать руками, учёные долго не признавали. Пока не обнаружили его в природе.

Карбин – наноматериал будущего

Учёные впервые обнаружили «Карбин» в кусочках некоторых метеоритов, только после этого он был признан как существующий материал.

После длительных экспериментов «Карбин» синтезировали в лаборатории, но это было такое мизерное количество, что основные свойства пришлось определять математическим методом.

Рассчитали, что прочность «Карбина» почти в 2 раза выше прочности «Графена» и выяснили, что молекулы «Карбина» не растягиваются, но при этом не теряют гибкости. Это химически неактивный материал. Добавляя молекулы определённых веществ к «Карбину» можно получать материалы совершенно с разными свойствами.

В данное время физические и химические свойства «Карбина» уже хорошо изучены. Начинается создание материалов с применением «Карбина» в промышленных объёмах, прочность которых в два раза прочнее «Графена». Эти материалы обладают хорошей адгезией и химически неактивны.

«Карбин» как и «Графен» имеет толщину в 1 атом. Это означает, что площадь поверхности по отношению к массе очень велика. А значит, его можно использовать при изготовлении аккумуляторных батарей и супперконденсаторов.

Кроме того, «Карбин» обладает целым рядом других свойств, позволяющих использовать его в электронике и медицине.

На основе электронных свойств учёные строят датчики газа, света и наличия жизни. Институт продвинутых технологий Samsung работает над созданием гибкого дисплея, транзисторов и устройств хранения данных.

«Карбин» обладает высокой биологической совместимостью, поэтому его широко стали применять в медицине. С использованием «Карбина» были созданы протезы сосудов, шовные нити, покрытия для трущихся суставов. Его уже применяют в офтальмологии, урологии и стоматологии.

»

Свойства

Карбин представляет собой мелкокристаллический порошок чёрного цвета (плотность 1,9÷2 г/см³), обладает полупроводниковыми свойствами. Получен в искусственных условиях из длинных цепочек атомов углерода , уложенных параллельно друг другу. Карбин - линейный полимер углерода. В молекуле карбина атомы углерода соединены в цепочки поочередно либо тройными и одинарными связями (полииновое строение), либо постоянно двойными связями (поликумуленовое строение). Это вещество впервые получено советскими химиками В. В. Коршаком , А. М. Сладковым, В. И. Касаточкиным и Ю. П. Кудрявцевым в начале 60-х гг. в Академии наук СССР (ИНЭОС) . Карбин обладает полупроводниковыми свойствами, причём под воздействием света его проводимость сильно увеличивается. На этом свойстве основано первое практическое применение - в фотоэлементах .

Предыстория открытия

Вопрос о возможности существования форм углерода с sp-гибридизацией атомов неоднократно рассматривался теоретически. Ещё в 1885 году немецкий химик Адольф Байер пытался синтезировать цепочечный углерод из производных ацетилена ступенчатым методом. Однако попытка Байера получить полиин (соединение, содержащие в молекуле не менее трех изолированных или сопряженных связей С≡С) оказалась неудачной, он получил углеводород , состоящий из четырех молекул ацетилена, соединенных в цепочку, и оказавшийся чрезвычайно неустойчивым. Неустойчивость низших полиинов послужила Байеру основанием для создания теории напряжения, в которой он постулировал невозможность получения цепочечного углерода. Авторитет ученого охладил интерес исследователей к синтезу полиинов, и работы в этом направлении надолго прекратились.

Одномерная (линейная) форма углерода долгое время оставалась недостающим звеном в аллотропии углерода. Важным стимулом для возобновления работ в этой области явилось открытие в 1930-е годы представителей полиацетиленового ряда в природе. В некоторых растениях и низших грибах были обнаружены соединения полиинового ряда, содержащие до пяти сопряженных ацетиленовых группировок. Одними из первых, кто решился бросить вызов авторитету предшественников, стали заведующий лабораторией высокомолекулярных соединений ИНЭОС Василий Владимирович Коршак и Алексей Михайлович Сладков. Проведённая ими работа привела к открытию новой линейной аллотропной формы углерода.

В 1959–1960 годах в лаборатории высокомолекулярных соединений ИНЭОС, возглавляемой академиком Коршаком, проводились систематические исследования реакции окислительного сочетания диацетиленовых соединений. Было установлено, что в присутствии солей двухвалентной меди эта реакция может быть проведена с любыми диацетиленовыми соединениями с образованием полимеров , элементарное звено которых сохраняет углеродный скелет исходного диацетилена. При этом сначала образуются полимерные полиацетилениды Cu(I). Этот вариант реакции окислительного сочетания был назван окислительной дегидрополиконденсацией. Ученые предположили, что в качестве мономера для такой поликонденсации можно взять и ацетилен. Действительно, при пропускании ацетилена в водно-аммиачный раствор соли Cu(II) быстро выпадал черный осадок. Именно этот путь привёл А.М.Сладкова, В.В.Коршака, В.И.Касаточкина и Ю.П.Кудрявцева к открытию линейной формы углерода, которую они, по предложению Сладкова, назвали «карбин ».

По словам первооткрывателей карбина, самым сложным для них было определить, какими же связями соединены в цепочку углеродные атомы. Это могли быть чередующиеся одинарные и тройные связи (–С≡С–С≡С–), только двойные связи (=С=С=С=С=), или и те, и другие одновременно. Лишь через несколько лет удалось доказать, что в полученном карбине двойных связей нет. Подтверждением полиинового строения цепочек послужило образование щавелевой кислоты при озонировании карбина.

Однако теория допускала существование и углеродного линейного полимера только с двойными связями, который и был получен в 1968 году аспиранткой Сладкова В.П.Непочатых: встречный синтез (восстановлением полимерного гликоля) привёл к образованию линейного полимера углерода с кумуленовыми связями, который назвали поликумуленом. Доказательством наличия двойных связей в полученном веществе стал тот факт, что при озонировании поликумулена получается только диоксид углерода .

Итак, были получены две формы линейного углерода: полииновая (–С≡С–) n , или α-карбин, и поликумуленовая (=С=С=) n , или β-карбин. Авторами открытия было проведено детальное исследование структуры карбина различными методами, изучены его термодинамические и электрофизические свойства.

Структура на карбина

По мнению некоторых исследователей, однозначных и строгих доказательств индивидуальности карбина и его строения до сих пор не получено, другие же авторы, наоборот, считают, что такие доказательства имеются. Дискуссия по поводу существования карбина во многом обусловлена тем, что диагностика его имеет ряд технических сложностей, поскольку при использовании высокоэнергетических методов возможен переход карбина в другие формы углерода. К тому же представления о структуре карбина долгое время отличались несовершенством. Авторы открытия карбина предложили модель его кристаллической структуры в виде совокупности цепочек кумуленового или полиинового типа, упакованных в кристаллы за счет вандерваальсовых сил . Цепочки полагались прямолинейными, поскольку каждый атом углерода находится в состоянии sp-гибридизации.

Действительно, к настоящему времени установлено, что структуру карбина образуют атомы углерода, собранные в цепочки двойными связями (β-карбин) или чередующимися одинарными и тройными связями (α-карбин). Полимерные цепочки имеют химически активные концы (т. е. несут локализованный отрицательный заряд) и изгибы с цепочечными вакансиями, в местах которых цепочки соединяются между собой за счет перекрывания π-орбиталей атомов углерода. Важное значение для образования сшивок имеет присутствие таких примесей металлов, как железо , калий . Убедительное свидетельство наличия зигзагов в линейной углеродной цепочке было получено в теоретической работе Коршака: результаты его расчета хорошо согласуются с ИК-спектром карбина.

На основании результатов дальнейших исследований структуры кристаллического карбина была предложена модель его элементарной ячейки. Согласно этой модели элементарная ячейка карбина составлена параллельными цепочками углерода, имеющими зигзаги, благодаря которым ячейка оказывается двуслойной. Толщину одного слоя составляет цепочка из шести атомов углерода. В нижнем слое цепочки плотно упакованы и расположены в центре и по углам гексагона , тогда как в верхнем слое центральная цепочка отсутствует, а в образовавшейся вакансии могут располагаться атомы примеси. Возможно, что они являются катализаторами кристаллизации карбина. Такая модель дает ключ к раскрытию феномена карбина и объясняет, в какой конфигурации может стабилизироваться в общем случае неустойчивая совокупность линейных цепочек углерода.

См. также

Ссылки

• * В.І. Саранчук, В. В. Ошовський, Г. О. Власов. Хімія і фізика горючих копалин. - Донецьк: Східний видавничий дім, 2003. −204 с.
• Углерод Алексея Сладкова - история открытия карбина
• Сладков А. М., Кудрявцев Ю. П. Алмаз, графит, карбин - аллотропные формы углерода // Природа. 1969.№ 5. С.37-44.

Примечания

Wikimedia Foundation . 2010 .

Синонимы :
Научные открытия в изучении свойств углерода.

Научное открытие "Новая кристаллическая форма углерода – карбин".

Формула открытия: "Экспериментально установлено неизвестное ранее явление существования новой кристаллической формы углерода – карбина, характеризующейся, в отличие от алмаза и графита, цепочечным (линейным) строением углеродных макромолекул".
Авторы: В. И. Касаточкин, А. М. Сладков, Ю. П. Кудрявцев, В. В. Коршак.
Номер и дата приоритета: № 107 от 4 ноября 1960 г.

Описание открытия.
Углерод – уникальный элемент. Он образует бесчисленное множество соединений, служит отличным топливом и исходным сырьем для получения самых разных материалов и изделий из них. Благодаря своему строению он образует громадное число соединений только с водородом, а общее количество всевозможных химических соединений, содержащих углерод, в том числе и в клетках живых существ, превышает два миллиона.

Не сразу подобрали ключи к разгадке поведения углерода, имеющего определенные структуры цепочек атомов. Этому предшествовали десятилетия научных поисков. Долгое время были известны только две кристаллические формы углерода – алмаз и графит, у которых совершенно разные свойства. Алмаз – самое твердое из известных веществ на Земле – прозрачен, обладает характерными свойствами электрического изолятора. Графит – очень мягкий, непрозрачный, хорошо проводит ток.

Доктор химических наук В. И. Касаточкин из Института горючих ископаемых вместе с учеными Института элементоорганических соединений доктором химических наук А. М. Сладковым, кандидатом химических наук Ю. П. Кудрявцевым и членом-корреспондентом АН СССР В. В. Коршаком открыли явление существования новой кристаллической формы углерода, названной карбином. Его получили из ацетилена. Третья форма кристаллического углерода обладает полупроводниковыми свойствами и фотопроводимостью.

Карбин обнаружен и в естественном виде. Недавно в кратере Рис (Бавария), который образовался в результате падения метеорита, был обнаружен кристаллический углерод, по структуре близкий к карбину. Такой же углерод найден учеными Института геохимии Академии Наук СССР в метеорите Новый Урей. Эти факты свидетельствуют о том, что карбин весьма устойчив и образуется в специфических природных условиях. Изучение этих условий поможет развитию космохимии. Резкие различия в структуре и свойствах трех форм кристаллического углерода: алмаза, графита и карбина – связаны с тремя возможными разновидностями гибридной электронной структуры углеродных атомов и, следовательно, с различиями в типах межатомных связей.

Согласно теории переходных форм углерода сочетание неодинаковых гибридных разновидностей атомов в единой полимерной структуре порождает множество аморфных форм этого вещества. Углеродное стекло – типичный пример аморфного углерода, в котором сочетаются все три вида гибридных атомов с тремя типами связей – алмазных, графитовых и карбиновых. Число сочетаний гибридных атомов в разных соотношениях очень велико. Вот почему сейчас появляются все новые углеродные материалы с разнообразными свойствами. Основа этих материалов – аморфный углерод.

Внимание к этим удивительным материалам во всем мире с каждым годом возрастает. Создаются крупные специализированные научные центры. Упорно ведутся поиски новых углеродных материалов. Необыкновенная легкость в сочетании с жаростойкостью, устойчивостью против агрессивных химических сред, неспособностью намагничиваться, несомненно, позволит этим веществам уже в ближайшее время занять ведущее положение среди других конструкционных материалов в прогрессивных областях науки.

Ширина запрещенной зоны α-карбина меняется в зависимости от величины механического напряжения.

Группа ученых из Университета Райса (Хьюстон, США) опубликовала результаты работы, посвященной изучению свойств карбина , представляющего собой цепочки из атомов углерода. Связи между её звеньями могут быть либо двойными, либо чередующимися (тройными и одинарными). Карбин представляет особый интерес для химиков и нанотехнологов, поскольку он наиболее прочный и жесткий из всех известных материалов.

Шестой элемент таблицы Менделеева, углерод, подарил миру множество необычных материалов. Помимо известных со школьной скамьи форм углерода — графита и алмаза, ученые добавили в эту коллекцию фуллерены, углеродные нанотрубки и множество экзотических модификаций, «сложенных» из листов графена.

Теоретически существование цепочечной формы углерода было предсказано еще в конце 19 века. Астрономы обнаружили признаки присутствия карбина в межзвездной пыли и веществе метеоритов. Карбин может образовываться естественным путем и при ударном сжатии графита. В лабораторных условиях достаточно длинные углеродные цепочки (до 44 атомов) удалось синтезировать лишь пару лет назад. Ученые также смогли получить и стабилизировать карбин при комнатной температуре.

Вокруг карбина было воздвигнуто множество предположений. Например, считалось, что при взаимодействии двух нитей карбина пройдет взрывная реакция их слияния. Ученые единогласно утверждали, что карбин — очень прочный и жесткий, но насколько? Экспериментальной проверкой теорий и численным измерением характеристик карбина исследователи занялись только сейчас.

Карбин действительно оказался «самым-самым». Его удельная жесткость (около 109 Н·м/кг) вдвое превосходит удельную жесткость графена (0,45·109 Н·м/кг), а удельная прочность (6,0·107 — 7,5·107 Н∙м/кг) также оставляет позади все известные материалы, включая графен (4,7·107 — 5,5 ·107 Н∙м/кг), углеродные нанотрубки (4,3·107 — 5,0·107 Н∙м/кг) и алмаз (2,5·107 — 6,5·107 Н∙м/кг). Для того чтобы разорвать цепочку карбина, надо приложить усилие порядка 10 нН.

Гибкость карбина (обычно находящуюся где-то между значениями этого показателя для большинства полимеров и цепочки ДНК) можно «отключать», присоединив к концу цепочки определенную химическую группу. В этом случае цепочка карбина превращается из «нитки» в «иголку».

Что же касается стабильности карбина, исследователи согласились, что «взрыв» при контакте двух углеродных цепочек действительно возможен, но для этого необходимо преодолеть некий активационный энергетический барьер. Благодаря этому барьеру цепочки карбина длиной около 14 нм могут оставаться стабильными при комнатной температуре примерно в течение суток.

· Применение · Токсическое действие · Близкие статьи · Комментарии · Примечания · Литература · Официальный сайт ·

Схемы строения различных модификаций углерода
a : алмаз, b : графит, c : лонсдейлит
d : фуллерен - бакибол C 60 , e : фуллерен C 540 , f : фуллерен C 70
g : аморфный углерод, h : углеродная нанотрубка

Подробнее: Аллотропия углерода

Кристаллический углерод

• алмаз
• Графен
• графит
• Карбин
• лонсдейлит
• Наноалмаз
• Фуллерены
• Фуллерит
• Углеродное волокно
• Углеродные нановолокна
• Углеродные нанотрубки

Аморфный углерод

• Активированный уголь
• Древесный уголь
• Ископаемый уголь: антрацит и др.
• Кокс каменноугольный, нефтяной и др.
• Стеклоуглерод
• Техуглерод
• Углеродная нанопена

На практике, обычно, перечисленные выше аморфные формы являются химическими соединениями с высоким содержанием углерода, а не чистой аллотропной формой углерода.

Кластерные формы

• Астралены
• Диуглерод
• Углеродные наноконусы

Структура

Электронные орбитали атома углерода могут иметь различную геометрию, исходя из степени гибридизации его электронных орбиталей. Существует три основных геометрии атома углерода.

• тетраэдрическая, образуется при смешении одного s- и трёх p-электронов (sp 3 -гибридизация). Атом углерода находится в центре тетраэдра, связан четырьмя эквивалентными -связями с атомами углерода или иными в вершинах тетраэдра. Такой геометрии атома углерода соответствуют аллотропные модификации углерода алмаз и лонсдейлит. Такой гибридизацией обладает углерод, к примеру, в метане и других углеводородах.
• тригональная, образуется при смешении одной s- и двух p-электронных орбиталей (sp 2 -гибридизация). Атом углерода имеет три равноценные -связи, расположенные в одной плоскости под углом 120° друг к другу. Не участвующая в гибридизации p-орбиталь, расположенная перпендикулярно плоскости -связей, используется для образования -связи с другими атомами. Такая геометрия углерода характерна для графита, фенола и др.
• дигональная, образуется при смешении одного s- и одного p-электронов (sp-гибридизация). Помимо этого два электронных облака вытянуты вдоль одного направления и имеют вид несимметричных гантелей. Два других р-электрона дают -связи. Углерод с такой геометрией атома образует особую аллотропную модификацию - Карбин.

В 2010 году сотрудиники университета Ноттингема Стивен Лиддл и коллеги получили соединение (мономерный дилитио метандий), в котором четыре связи атома углерода находятся в одной плоскости. Ранее возможность «плоского углерода» была предсказана Паулем фон Шлейером для вещества , но оно не было синтезировано.

Графит и алмаз

Основные и хорошо изученные аллотропные модификации углерода - алмаз и графит. При нормальных условиях термодинамически устойчив только графит, а алмаз и прочие формы метастабильны. При атмосферном давлении и температуре выше 1200 K алмаз начинает переходить в графит, выше 2100 K превращение совершается за секунды. Н 0 перехода - 1,898 кДж/моль. При нормальном давлении углерод сублимируется при 3 780 K. Жидкий углерод существует только при определенном внешнем давлении. Тройные точки: графит-жидкость-пар Т = 4130 K, р = 10,7 МПа. Прямой переход графита в алмаз происходит при 3000 K и давлении 11-12 ГПа.

При давлении свыше 60 ГПа предполагают образование весьма плотной модификации С III (плотность на 15-20 % выше плотности алмаза), имеющей металлическую проводимость. При высоких давлениях и относительно низких температурах (ок. 1 200 K) из высокоориентированного графита образуется гексагональная модификация углерода с кристаллической решёткой типа вюрцита - лонсдейлит (а = 0,252 нм, с = 0,412 нм, пространственная группа Р6 3 /mmc ), плотность 3,51 г/см, то есть такая же, как у алмаза. Лонсдейлит найден также в метеоритах.

Ультрадисперсные алмазы (наноалмазы)

В 1980-е гг. в СССР было найдено, что в условиях динамической нагрузки углеродсодержащих материалов могут образовываться алмазоподобные структуры, получившие название ультрадисперсных алмазов (УДА). Сегодня всё чаще используется термин «наноалмазы». Размер частиц в таких материалах составляет единицы нанометров. Условия образования УДА могут быть реализованы при детонации взрывчатых веществ с значительным отрицательным кислородным балансом, к примеру смесей тротила с гексогеном. Такие условия могут быть реализованы также при ударах небесных тел о поверхность Земли в присутствии углеродсодержащих материалов (органика, торф, уголь и пр.). Так, в зоне падения Тунгусского метеорита в лесной подстилке были обнаружены УДА.

Карбин

Кристаллическая модификация углерода гексагональной сингонии с цепочечным строением молекул называется Карбин. Цепи имеют либо полиеновое строение (-CC-), либо поликумуленовое (=C=C=). Известно несколько форм карбина, отличающихся числом атомов в элементарной ячейке, размерами ячеек и плотностью (2,68-3,30 г/см). Карбин встречается в природе в виде минерала чаоита (белые прожилки и вкрапления в графите) и получен искусственно - окислительной дегидрополиконденсацией ацетилена, действием лазерного излучения на графит, из углеводородов или CCl 4 в низкотемпературной плазме.

Карбин представляет собой мелкокристаллический порошок чёрного цвета (плотность 1,9-2 г/см), обладает полупроводниковыми свойствами. Получен в искусственных условиях из длинных цепочек атомов углерода, уложенных параллельно друг другу.

Карбин - линейный полимер углерода. В молекуле карбина атомы углерода соединены в цепочки поочередно либо тройными и одинарными связями (полиеновое строение), либо постоянно двойными связями (поликумуленовое строение). Это вещество впервые получено советскими химиками В. В. Коршаком, А. М. Сладковым, В. И. Касаточкиным и Ю. П. Кудрявцевым в начале 60-х гг. в Институте элементоорганических соединений Академии наук СССР. Карбин обладает полупроводниковыми свойствами, причём под воздействием света его проводимость сильно увеличивается. На этом свойстве основано первое практическое применение - в фотоэлементах.

Фуллерены и Углеродные нанотрубки

Углерод известен также в виде кластерных частиц С 60 , С 70 , C 80 , C 90 , C 100 и подобных (Фуллерены), и кроме этого графенов, нанотрубок и сложных структур - астраленов.

Аморфный углерод (строение)

В основе строения аморфного углерода лежит разупорядоченная структура монокристаллического (всегда содержит примеси) графита. Это кокс, бурые и каменные угли, Техуглерод, Сажа, активный уголь.

Графен

Подробнее: Графен

Графен (англ. graphene) - двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, соединенных посредством sp связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку.