На днях челябинский метеорит преподнес еще один сюрприз: в нем обнаружился минерал, оказавшийся неизвестной ранее аллотропией углерода. Ученые считают, что пока метеорит бороздил просторы Вселенной этого кристалла не существовало. Он образовался и вырос за те секунды, которые прошли с момента вхождения метеорита в плотные слои атмосферы Земли до его взрыва.
Кристалл был обнаружен в 2016 году, через три года после падения метеорита. Сначала ученые Челябинского государственного университета приняли его за алмаз, однако внимательное изучение показало, что по набору свойств он от алмаза отличается. К сожалению, в России не нашлось оборудования, с помощью которого можно было бы провести анализ открытого вещества, и его пришлось отправить за границу.
Исследование зарубежных коллег показало, что в метеорите обнаружена новая, ранее неизвестная и не встречавшаяся в природе форма углерода. Открытие мгновенно привлекло внимание и физиков, и химиков: ведь до сих пор каждая новая открытая или созданная искусственно аллотропия углерода имела уникальные свойства, которые позволяли каждой находить применение в различных отраслях человеческой деятельности.
Викитория вспомнила, с какими аллотропиями углерода человечество уже знакомо. Для начала просто перечислим некоторые из них в алфавитном порядке: алмаз, древесный уголь, ископаемый уголь, кокс каменноугольный, лонсдейлит, наноалмаз, графит, графен, карбин, сажа, стеклоуглерод, техуглерод, фуллерены, фуллерит, углеродное волокно, углеродные нановолокна, углеродные нанотрубки. На молекулярном уровне эти формы углерода отличаются наличием или отсутствием кристаллической решетки и ее структурой в случае наличия.
Многие из этих аллотропов получены искусственно и принесли своим создателям международное признание и премии. Широко известно, что за открытие графена Андрей Гейм и Константин Новоселов в 2010 году получили Нобелевскую премию. Менее распиаренная нобелевка была вручена в 1996 году Роберту Кёрлу, Харольду Крото и Ричарду Смелли за открытие фуллеренов.
Чтобы получить представление о количестве аллотропных модификаций углерода, достаточно знать, что созданная к настоящему времени база, куда входят только трехпериодические аллотропы, содержит около 300 разных минералов, а на ее создание ушло более трех лет.
1. Ископаемый уголь
Каменный и бурый уголь, антрацит… О их существовании было известно уже в древности. Аристотель описывал каменный уголь и его свойства. Древние римляне использовали его для отопления. В Китае уже в те времена из угля получали кокс.
Исходным сырьем для образования ископаемого угля является торф. При залегании торфа на глубине в 1 километр из 10 метров торфа под давлением пород получается пласт угля толщиной в 2–3 метра.
При сжигании уголь выделяет большое количество тепла. Поэтому его активно используют для производства электроэнергии. При КПД примерно в 30-35% доля угольной генерации в мировом производстве электроэнергии в 1917 году находилась на уровне 38–41% (По данным Международного энергетического агентства). При этом, в США и Германии эта длоя составляет более 50%, в Австралии, Китае и Индии доходит до 80%, а в России не превышает 18%.
На своей последней стадии метаморфизма уголь превращается в антрацит. С точки зрения генерации энергии, антрацит считается наиболее качественным углем. Он же является переходной формой между углем и графитом.
2. Графит
Если антрацит нагреть до температуры примерно 2500° C, то он превратится в графит — аллотропную форму углерода, имеющую, в отличие от угля кристаллическую структуру. Именно в виде графита чистый углерод чаще всего встречается на Земле. Кристаллическая структура графита такова, что позволяет ему находить применение в самых разных областях. С графитом каждый из нас имеет дело ежедневно: из него изготовлены стержни простых карандашей. Решётка графита слоистая, что делает этот минерал мягким и способным «сползать» на твердые поверхности. Именно это свойство графита используется в карандашах. А кроме того, при изготовлении смазочных материалов.
Расплавить графит нелегко – для этого нужно сочетание высоких температур и давления до 100 атмосфер. Поэтому из него изготавливают некоторые детали ракетных сопел.
Очень интересными являются электромагнитные свойства графита. Из-за того, что его кристаллическая структура является слоистой, он неодинаково проводит электрический ток. Вдоль решетки его электропроводность приближается к электропроводности металлов, а поперёк уменьшается на порядок. Такие же анизотропные свойства графит демонстрирует при проведении звука и тепла. Высокая электропроводность сделала графит популярным при изготовлении анодов аккумуляторов и других источников тока. При этом графит устойчив к агрессивным средам, что позволяет его использовать там, где металлы из-за своей химической активности непригодны.
Еще одним интересным свойством графита является его диамагнетизм. На простом примере это означает, что графит способен левитировать в магнитном поле, отталкиваясь от него.
3. Алмаз
При давлении 120 тысяч атмосфер и нагревании до 1800° C графит превращается в алмаз — самый твердый из известных минералов. Кстати, процесс является обратимым — если алмаз нагреть до 1000° C, то он превратится в графит, а при температуре 2000° C это происходит буквально на глазах.
Кристаллическая решетка алмаза — кубическая, что и обеспечивает прочность атомарных связей, которые придают минералу непревзойденную твердость.
Самой известной областью применения алмазов является ювелирная промышленность. После огранки получившиеся бриллианты используются в украшениях. Однако это не единственная область, где алмазы востребованы. Они используются при изготовлении режущих инструментов, в часах, квантовых компьютерах и в ядерной промышленности. Уникальные проводящие свойства алмаза (в разных условиях он проявляет себя то как p-тип, то как n-тип) сделали его перспективным материалом для микроэлектроники. А высокая теплопроводность алмазов используется при теплоотведении в электронике.
Обнаружено, что при некоторых условиях алмаз проявляет себя как сверхпроводник. Пока это область теоретической физики, до практического применения дело не дошло.
4. Графен
Графен — один из аллотропов углерода, полученный искусственно. Его главное свойство — двумерность, графен представляет собой материал толщиной в один атом. Существует и двухслойный графен — аллотропная модификация, состоящая из двух слоев графена.
Если абстрагироваться от количества слоев, то графен структурно является слоем графита, однако именно двумерность и делает его принципиально иным материалом. Графен обеспечивает высокую подвижность электронов — намного выше, чем в кремнии. Электроны в нем словно теряют массу — происходит этот из-за электрического поля, которое создают атомы кристаллической решетки. Потенциально это делает графен более подходящим, чем кремний материалом для полупроводниковой электроники и для электроники вообще.
Вернемся к челябинскому метеориту
Углерод является химическим элементом, который обладает некоторыми важными качествами. Во-первых, из него сравнительно просто получать материалы с разной кристаллической структурой или вовсе без таковой. Многие из таких материалов находятся в свободном виде в природе. Во-вторых, в зависимости от структуры, эти материалы обладают совершенно разными, иногда до полной противоположности, свойствами.
Именно поэтому научное сообщество взволновалось, узнав об обнаружении нового аллотропа углерода. Его количество в метеорите невелико, но даже оно сумело вызвать интерес своими необычными свойствами. Какие это свойства, как их можно применить и как получить аналогичные материалы, мы узнаем в уже недалеком будущем.
Следите за публикациями Викитории: здесь обязательно будут новости по этой теме.
