Diamant en grafiet: de fascinerende wereld van twee allotropen

In ons dagelijks leven bestaat koolstof in vele vormen, waarvan de meest bekende grafiet in potloodstiften en oogverblindende diamanten zijn: diamanten. Hoewel ze van hetzelfde element zijn afgeleid, zijn de fysieke eigenschappen van de twee heel verschillend, van kleur, hardheid tot smeltpunt, wat de diversiteit en magie van koolstof aantoont.

Structurele verschillen: macroscopische verschillen begrijpen van microscopisch

Diamant en grafiet zijn beide gemaakt van koolstofatomen die met elkaar zijn verbonden door covalente bindingen, maar hun opstelling is compleet anders. Diamant is veel harder dan grafiet omdat de koolstofatomen in diamant in een tetraëdrische structuur zijn gerangschikt en elk koolstofatoom is verbonden met vier andere koolstofatomen, waardoor een extreem harde en uniforme ruimtelijke netwerkstructuur ontstaat. Ongeacht in welke richting de externe kracht wordt uitgeoefend, er moet tegelijkertijd een groot aantal covalente bindingen worden verbroken om deze te vervormen of te verbreken.

 

Daarentegen lijkt de structuur van grafiet veel "los" te zijn. De koolstofatomen in grafiet zijn in lagen gerangschikt en de koolstofatomen in elke laag zijn nauw verbonden door covalente bindingen om een ​​zeshoekig rooster te vormen, terwijl de lagen met elkaar zijn verbonden door zwakkere van der Waals-krachten. De afstand tussen de lagen is te groot en de kracht is te zwak, dus het is gemakkelijk om één voor één te worden "gebroken" - eerst wordt het gemakkelijk in extreem dunne lagen "gewreven" en vervolgens wordt de microscopische laagstructuur gemakkelijk vernietigd door externe krachten. Deze gelaagde structuur geeft grafiet een goede smering en plasticiteit, waardoor het gemakkelijk te snijden en te vormen is, en de hardheid ervan is veel lager dan die van diamant.

 

Van grafiet tot diamant: het wonder van de kunstmatige synthese

Gezien het enorme verschil tussen diamant en grafiet, zijn wetenschappers al lang bezig met het onderzoeken van methoden om diamant uit grafiet te synthetiseren. Van Moissan's poging tot elektrische ovens op hoge temperatuur, tot de latere explosiemethode, de dampafzettingsmethode en vervolgens tot de moderne hogetemperatuur- en hogedrukmethode, elke technologische innovatie markeert de verdieping van het menselijke begrip van koolstofmaterialen en de verbetering van technische kennis. mogelijkheden. Vooral de dampafzettingsmethode en de hogetemperatuur- en hogedrukmethode, de eerste, kunnen diamantfilms of kristallen op een specifiek substraat laten groeien door het afzettingsproces van koolstofatomen nauwkeurig te controleren; de laatste maakt gebruik van het katalytische effect van katalysatoren onder omstandigheden van hoge temperatuur en hoge druk om grafiet om te zetten in grote diamantdeeltjes, die worden gebruikt in industriële snijgereedschappen en sieraden.

 

Anomalie van hardheid en smeltpunt: waarom heeft diamant een laag smeltpunt?

Vanuit microscopisch perspectief betekent smelten dat de deeltjes waaruit de substantie bestaat vrijheid krijgen in de driedimensionale ruimte en vrij kunnen stromen. Voor diamant en grafiet vereist deze vrijheid de gelijktijdige vernietiging van een groot aantal covalente bindingen, waardoor hun smeltpunten zeer hoog zijn.

 

Voor de meeste kristallen geldt: hoe hoger de hardheid, hoe hoger het smeltpunt. In het geval van diamant en grafiet zijn de hardheid en het smeltpunt echter inconsistent.

 

Hoewel diamant bekend staat om zijn ongeëvenaarde hardheid, ligt het smeltpunt onverwacht lager dan dat van grafiet. De reden hierachter hangt nauw samen met hun covalente bindingssterkte en structurele kenmerken. De koolstofatomen in diamant maken gebruik van sp3-hybridisatie, en de gevormde covalente bindingslengte is langer (0.155 nm) en de bindingsenergie is relatief laag; terwijl de koolstofatomen in grafiet sp2-hybridisatie gebruiken, is de bindingslengte korter (0.142 nm) en is de bindingsenergie hoger. Wanneer beide materialen van vast naar vloeibaar transformeren, hebben de sterkere covalente bindingen in grafiet, hoewel er een groot aantal covalente bindingen moet worden verbroken, meer energie nodig om te breken, wat resulteert in een hoger smeltpunt voor grafiet dan voor diamant (3680 graden voor diamant). grafiet en 3550 graden voor diamant).

 

Thermische geleidbaarheid van grafiet en diamant

Grafiet is een materiaal met uitstekende thermische geleidbaarheid en de thermische geleidbaarheid ervan is veel hoger dan die van veel gangbare materialen. Het thermische geleidbaarheidsbereik van grafiet is over het algemeen hoog, maar de specifieke waarde varieert afhankelijk van de kwaliteit van het grafiet en de testomstandigheden.

 

De gelaagde structuur van grafiet is de sleutel tot zijn efficiënte thermische geleidbaarheid. De koolstofatomen in de lagen zijn stevig gebonden door sterke covalente bindingen om een ​​stabiele structuur te vormen, wat bevorderlijk is voor de snelle warmteoverdracht. Omdat de lagen echter zijn verbonden door zwakke van der Waals-krachten, is de thermische geleidbaarheid van grafiet in de tussenlaagrichting relatief zwak. Desondanks wordt grafiet nog steeds veel gebruikt als materiaal voor thermisch beheer in omgevingen met hoge temperaturen, zoals koellichamen, warmtegeleidende films, enz. De uitstekende thermische geleidbaarheid en chemische stabiliteit spelen een belangrijke rol bij deze toepassingen.

 

Hoewel diamant een isolator is en geen vrije elektronen bevat, heeft diamant de beste thermische geleidbaarheid van alle vaste stoffen. De thermische geleidbaarheid behoort tot de beste in de natuur. Bij kamertemperatuur kan de thermische geleidbaarheid van diamant 2000~2200 W/(m·K) bereiken, wat 4~5 maal die van koper en zilver is, 4 maal die van siliciumcarbide (SiC), 13 maal die van silicium ( Si), en 43 maal die van galliumarsenide (GaAs). Bovendien kan de thermische geleidbaarheid van type IIa-diamant bij de temperatuur van vloeibare stikstof 25 maal die van koper bereiken, wat een superthermische geleidbaarheid vertoont. Diamant heeft stabiele chemische eigenschappen, is bestand tegen zuren en logen en reageert niet met bepaalde chemicaliën bij hoge temperaturen. Deze eigenschappen zorgen ervoor dat het een goede thermische geleidbaarheid behoudt, zelfs in extreme omgevingen.

 

Er zijn geen vrije elektronen in de diamantstructuur, dus hoe kan deze thermische geleidbaarheid hebben? Het blijkt dat de essentie van thermische geleidbaarheid en elektrische geleidbaarheid anders is, wat wordt bepaald door de microscopische aard van warmte - de microscopische essentie van warmte is de beweging van deeltjes. Als de bewegingssnelheid van microscopische deeltjes snel is, is de externe manifestatie een hoge temperatuur. Deze beweging van microscopisch kleine deeltjes kan vrij en onregelmatig zijn, of het kan zelftrilling op het rooster zijn. Men kan zich voorstellen dat de uitstekende thermische geleidbaarheid van diamant wordt bereikt door de trilling van de koolstofatomen zelf op het rooster. Vanwege de zeer geordende opstelling van het diamantrooster en het feit dat de trillingsfrequentie ervan in hoge mate consistent is met de frequentie die nodig is voor de geleiding van warmte (in wezen een elektromagnetische golf), kan deze trilling van koolstofatomen gemakkelijk resonantie in het kristal veroorzaken, waardoor er snel resonantie in het kristal ontstaat. het geleiden van warmte van de ene plaats naar de andere, waardoor diamant de vaste stof is met de beste thermische geleidbaarheid.

 

Deze unieke thermische geleidbaarheid zorgt ervoor dat diamant veel wordt gebruikt in hightech-gebieden. In de verpakking van halfgeleiderchips kan diamant bijvoorbeeld snel warmte geleiden om te voorkomen dat de chip slecht presteert of de betrouwbaarheid vermindert als gevolg van te hoge temperaturen. Bovendien wordt diamant ook gebruikt voor de vervaardiging van koellichamen en interfacematerialen met een hoge thermische geleidbaarheid voor elektronische apparaten met hoog vermogen. Vanwege de hoge thermische geleidbaarheid en de lage thermische uitzettingscoëfficiënt kan het de maatverandering van het materiaal effectief verminderen wanneer de temperatuur verandert, en de stabiliteit en betrouwbaarheid van de apparatuur verbeteren.

Omdat allotropen van koolstof, diamant en grafiet door hun unieke microstructuren totaal verschillende macroscopische eigenschappen vertonen. Van hun wederzijdse transformatie tot afwijkende fysieke eigenschappen: elke ontdekking is een diepgaande openbaring van de mysteries van de natuur en een getuigenis van menselijke wijsheid en technologische vooruitgang.