Carbino 2021: el material que está revolucionando a la ciencia

Carbino

El carbono es conocido por la humanidad desde la antigüedad, principalmente como carbón,diamante y ahora el carbino.

Lavoisier reconoció al carbono como un elemento químico individual a finales del siglo XVIII. y obtuvo su nombre (Carboneum) del latín carbo – carbón. Ni un solo elemento de la tabla periódica de Mendeleiev posee la variedad de propiedades, a veces directamente opuestas, que son inherentes al carbono.

Estas propiedades únicas son la razón por la que tanto el carbono puro como los materiales que lo contienen sirven como objetos de investigación fundamental y se utilizan en innumerables procesos técnicos. Todo esto atestigua claramente su inmensa importancia para la civilización. Hasta hace unas décadas, se conocían tres formas alotrópicas principales de carbono: diamante, grafito y carbino. Sin embargo, recientemente se han descubierto nuevas modificaciones del carbono, como el carbino.

Los diamantes son eternos

Cada átomo de carbono en la estructura de un diamante está ubicado en el centro de un tetraedro, cuyos vértices son los cuatro átomos más cercanos.

Los átomos adyacentes están unidos por enlaces covalentes (hibridación sp3).

Esta estructura determina las propiedades del diamante como la sustancia más dura conocida en la Tierra.

Grafito

El grafito se usa ampliamente en una amplia variedad de áreas de la actividad humana, desde la fabricación de minas de lápiz hasta unidades de moderación de neutrones en reactores nucleares.

Los átomos de carbono en la estructura cristalina del grafito están unidos por fuertes enlaces covalentes (sp 2– hibridación) y forman anillos hexagonales, que, a su vez, forman una malla fuerte y estable, similar a un panal.

Las mallas se apilan una encima de la otra.

La distancia entre los átomos ubicados en los vértices de los hexágonos regulares es de 0.142 nm.

Entre las capas 0,335 nm

Las capas están débilmente acopladas.

Tal estructura:

Fuertes capas de carbono, débilmente unidas entre sí, determina las propiedades específicas del grafito: baja dureza y la capacidad de exfoliarse fácilmente en pequeñas escamas.

Carbyne exhibe una disposición lineal de átomos en forma de cadenas.

Se subdivide en dos modificaciones: con enlaces acumulados = C = C = C = y enlaces poliino -C≡C-C≡C-. Se conocen otras formas de carbono, como el carbono amorfo, el carbono blanco (chaoita), etc. Pero todas estas formas son compuestos, es decir, una mezcla de pequeños fragmentos de grafito y diamante.

A continuación se muestra un diagrama del estado del carbono, en el que se liberan diamante (1), carbino (2), líquido (3), grafito (4), vapor (5):

El diamante y el grafito, conocidos por la humanidad desde hace mucho tiempo, encontraron una amplia aplicación práctica mucho antes del descifrado de su estructura, que finalmente se estableció solo después del desarrollo de los métodos fisicoquímicos apropiados de análisis (rayos X, difracción de electrones, etc.).

En cuanto al carbino y los fullerenos, el panorama es todo lo contrario:

Se han establecido sus estructuras y las áreas de aplicación solo se pueden planificar en función de posibles propiedades tecnológicas.

Materiales a base de grafito

El grafito, si consideramos su estructura idealizada, es una serie continua de capas paralelas al plano principal y que consta de átomos de carbono enlazados hexagonalmente.

Según el desplazamiento mutuo de estas capas en el plano, se distinguen formas hexagonales y romboédricas.

En la forma hexagonal, las capas se alternan según el esquema A-B-A-B -…, y en la forma romboédrica, según el esquema A-B-C-A-B-C -…

El contenido de la forma romboédrica en grafitos naturales puede alcanzar el 30%, en los artificiales, prácticamente no ocurre.

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La distancia entre cualquier átomo de carbono adyacente en el plano de la capa es de 0,142 nm, entre capas adyacentes es de 0,335 nm.

Cada átomo de la capa está unido a tres vecinos y los ángulos entre los enlaces son de 120 °.

3 de cada 4 electrones de valencia participan en los enlaces, los electrones restantes forman una nube de electrones común, similar a la de los metales.

Esta estructura conduce a la anisotropía de las propiedades físicas del grafito en las direcciones paralelas y perpendiculares a las capas.

El grafito es una sustancia de color gris oscuro con un brillo metálico.

Es uno de los minerales más suaves.

La estructura descrita es típica de un monocristal de grafito. Los cuerpos reales constan de muchas regiones de ordenación de átomos de carbono con tamaños finitos que difieren en varios órdenes de magnitud para varias muestras de cuerpos de carbono de grafito o estructura similar al grafito.

La estructura de estas regiones puede acercarse a la celosía de grafito ideal o diferir de ella debido a distorsiones tanto dentro de las capas como debido a irregularidades en su alternancia.

Estas regiones de ordenación se denominan cristalitos y tienen sus propias características geométricas: L

Esta estructura conduce a la anisotropía de las propiedades físicas del grafito en las direcciones paralelas y perpendiculares a las capas.

El grafito es una sustancia de color gris oscuro con un brillo metálico.

Es uno de los minerales más suaves

La estructura descrita es típica de un monocristal de grafito. Los cuerpos reales constan de muchas regiones de ordenación de átomos de carbono con tamaños finitos que difieren en varios órdenes de magnitud para varias muestras de cuerpos de carbono de grafito o estructura similar al grafito.

La estructura de estas regiones puede acercarse a la celosía de grafito ideal o diferir de ella debido a distorsiones tanto dentro de las capas como debido a irregularidades en su alternancia.

Estas regiones de ordenación se denominan cristalitos y tienen sus propias características geométricas: L

Esta estructura conduce a la anisotropía de las propiedades físicas del grafito en las direcciones paralelas y perpendiculares a las capas.

El grafito es una sustancia de color gris oscuro con un brillo metálico.

Es uno de los minerales más suaves. La estructura descrita es típica de un monocristal de grafito. Los cuerpos reales constan de muchas regiones de ordenación de átomos de carbono con tamaños finitos que difieren en varios órdenes de magnitud para varias muestras de cuerpos de carbono de grafito o estructura similar al grafito. La estructura de estas regiones puede acercarse a la celosía de grafito ideal o diferir de ella debido a distorsiones tanto dentro de las capas como debido a irregularidades en su alternancia. Estas regiones de ordenación se denominan cristalitos y tienen sus propias características geométricas: L Es uno de los minerales más suaves. La estructura descrita es típica de un monocristal de grafito. Los cuerpos reales constan de muchas regiones de ordenación de átomos de carbono con tamaños finitos que difieren en varios órdenes de magnitud para varias muestras de cuerpos de carbono de grafito o estructura similar al grafito.

La estructura de estas regiones puede acercarse a la celosía de grafito ideal o diferir de ella debido a distorsiones tanto dentro de las capas como debido a irregularidades en su alternancia. Estas regiones de ordenación se denominan cristalitos y tienen sus propias características geométricas: L.

La estructura descrita es típica de un monocristal de grafito. Los cuerpos reales constan de muchas regiones de ordenación de átomos de carbono con tamaños finitos que difieren en varios órdenes de magnitud para varias muestras de cuerpos de carbono de grafito o estructura similar al grafito. La estructura de estas regiones puede acercarse a la celosía de grafito ideal o diferir de ella debido a distorsiones tanto dentro de las capas como debido a irregularidades en su alternancia. Estas regiones de ordenación se denominan cristalitos y tienen sus propias características geométricas: L que difieren en varios órdenes de magnitud para diferentes muestras de cuerpos de carbono de grafito o estructura similar al grafito. La estructura de estas regiones puede acercarse a la celosía de grafito ideal o diferir de ella debido a distorsiones tanto dentro de las capas como debido a irregularidades en su alternancia. Estas regiones de ordenación se denominan cristalitos y tienen sus propias características geométricas: L que difieren en varios órdenes de magnitud para varias muestras de cuerpos de carbono de grafito o estructura similar al grafito. La estructura de estas regiones puede acercarse a la celosía de grafito ideal o diferir de ella debido a distorsiones tanto dentro de las capas como debido a irregularidades en su alternancia. Estas regiones de ordenación se denominan cristalitos y tienen sus propias características geométricas: La es el diámetro medio, L c es la altura media del cristalito y d 002 es la distancia media entre las capas del cristalito.

Estos valores se determinan mediante análisis de rayos X. Además, en los cuerpos reales de grafito hay una cierta cantidad de átomos desordenados (carbono amorfo) que ocupan el espacio entre cristalitos o están incrustados entre capas. Estos átomos pueden estar en estado híbrido sp, sp 2 o sp 3 .

Un material compuesto principalmente por átomos de carbono se puede obtener de diversas formas. Todos ellos están asociados con el tratamiento a alta temperatura de diversas sustancias que contienen carbono, tanto en fase condensada como gaseosa. Es posible obtener hollín, fullerenos, pirocarburo (pirografito) y diamantes de la fase gaseosa. El hollín y los fullerenos se obtienen como resultado de procesos que tienen lugar en el volumen de reacción. Los pirocarbonos y los diamantes se forman cuando los átomos de carbono se depositan sobre un sustrato sólido. Según el origen, hay tres tipos principales de grafito con una estructura casi ideal: grafito natural; grafito cristalizado en el proceso de fundición de arrabio (maduro, o kish-grafito, grafito de alto horno); grafito sintético, formado durante la deshidrogenación y polimerización del carbono a partir de la fase condensada o gaseosa.

Entre los materiales construidos a partir de átomos de carbono, el llamado carbón activo ocupa un lugar especial. Se puede pensar en una estructura formada por capas de átomos de carbono que forman una estructura similar al grafito. La diferencia con el grafito se debe a los diferentes grados de desorden de los átomos dentro y entre capas. Debido a este diseño, el carbón activo tiene el llamado espacio poroso, cuyo volumen y tamaño de poros están determinados por el tamaño de los cristalitos primarios, la naturaleza de su empaquetamiento y la orientación mutua. En este sentido, otro nombre para el carbón activo que se encuentra a menudo en la literatura es el nombre “material de carbón poroso” (PUM).

Los poros se distinguen en tamaño en microporos (<2 nm), mesoporos (2-50 nm) y macroporos (> 50 nm). Debido a la presencia de poros, los PUM tienen una superficie desarrollada y son capaces de adsorber líquidos y gases. La capacidad de adsorción del PUM está determinada por la estructura de la superficie y la naturaleza y concentración de los grupos reactivos de la superficie (generalmente grupos que contienen oxígeno formados como resultado de la oxidación de la superficie).

En la actualidad, los PUM representan la clase más importante de adsorbentes, catalizadores y portadores, cuya producción industrial se acerca al millón de toneladas. El esquema tradicional para producir PUM es la pirólisis (carbonización) a alta temperatura de materias primas sólidas que contienen carbono (madera, carbones naturales, materiales poliméricos) seguida del tratamiento del producto de carbonización con vapor de agua, dióxido de carbono y otras sustancias que oxidan el carbono (etapa de activación).

Con su simplicidad suficiente y bajo costo, este método tiene 2 inconvenientes principales: los racimos de carbono y cristalitos se forman como resultado de transformaciones en fase sólida mal controladas de la materia prima que contiene carbono inicial, las impurezas minerales contenidas en la materia prima inicial pasan al material de carbono final.

El segundo método de obtención de PUM carece de estas desventajas: el método de descomposición catalítica de hidrocarburos gaseosos. Este método es fundamentalmente diferente del primero. Así, en la síntesis tradicional, se carboniza una muestra sólida, acompañada de la eliminación de una parte del carbono; por tanto, a medida que avanza la síntesis, aumenta la porosidad. En el segundo caso, se produce el crecimiento del esqueleto carbónico, por lo que, con el tiempo, los poros disminuyen o incluso crecen completamente.

Debido a la mayor “homogeneidad” molecular de la materia prima de hidrocarburos gaseosos y al contenido mucho más bajo de impurezas que no contienen carbono, los PCM obtenidos de acuerdo con el segundo esquema se distinguen por un contenido mucho menor de impurezas minerales, mayor uniformidad y una distribución estrecha de las características de textura. En general, tienen mayor resistencia mecánica y resistencia química en ambientes corrosivos. Debido a estas propiedades positivas, los PCM obtenidos por el método catalítico se consideran sorbentes y portadores extremadamente prometedores para las tecnologías catalíticas de adsorción modernas.

El momento clave en la formación de una fase de carbono sólido es la formación de moléculas poliaromáticas planas. Estas moléculas se consideran los componentes básicos de la mayoría de los PUM. En la literatura, se utilizan diferentes nombres para su designación, la mayoría de las veces se les llama grafenos. Los átomos de carbono en la periferia del grafeno están insaturados, tienen una mayor actividad química y pueden unirse a fragmentos de CH2, CH, etc. para compensar la valencia libre. Dichos fragmentos pueden conducir a la formación de puentes de carbono entre los extremos de los grafenos vecinos, lo que los lleva a una reticulación química en diferentes ángulos. Al mismo tiempo, la forma plana de los grafenos promueve su agregación orientada espontáneamente en paquetes compactos (Fig. 4), que generalmente se denominan agrupaciones de grafeno.

El “empalme” caótico de los grupos de grafeno en asociados, que se produce en la fase gaseosa, conduce a la formación de partículas esferoidales de carbono amorfo (varios tipos de hollín). En tales asociados, los grupos de grafeno están vinculados entre sí por numerosos enlaces, pero a temperaturas muy altas (-3000 K) tienen suficiente movilidad para pasar en una orientación ordenada más favorable termodinámicamente, en la que el asociado de los grupos de grafeno se transforma en microcristalito de grafito.

La norma estatal requiere llamar al negro de carbón “carbón técnico”, sin embargo, como regla, este término se usa solo en la literatura y documentación técnica. En la literatura científica, el término “hollín” se usa con más frecuencia. Una partícula de hollín es un conjunto de cristalitos individuales, que generalmente consta de 3-5 capas paralelas de hexágonos. La estructura de los cristalitos de hollín se diferencia del grafito en que las capas paralelas que contiene no se desplazan regularmente entre sí, como en el grafito, sino de forma caótica, impartiendo una estructura tridimensional desordenada a los cristalitos. Tal red cristalina se llama bidimensional ordenada o turbostratica, en la que las capas giran alrededor del eje vertical en un cierto ángulo.

Los átomos de carbono ubicados en los bordes de los planos de la red cristalina tienen valencias libres. De acuerdo con estas valencias, se unen a ellos átomos de redes de carbono planas separadas (capas simples no incluidas en el cristalito) y cadenas de átomos de carbono que no están orientados en el sistema cristalino. Estas cadenas llenan los espacios entre los cristalitos, uniéndolos en un todo. Además, los átomos H, O y S están unidos a las valencias libres de los átomos de carbono. La forma de las partículas de hollín suele ser casi esférica y su superficie puede ser lisa o rugosa. Los cristalitos ubicados en las profundidades de la partícula de hollín están orientados aleatoriamente entre sí, mientras que los ubicados cerca de la superficie forman una capa esférica.

Las partículas de hollín se combinan en estructuras de hollín, que son cadenas más o menos ramificadas. Hay dos tipos de estructuras de hollín: primarias, muy fuertes, unidas por enlaces de valencia y secundarias, unidas por fuerzas de sorción. El tamaño de las partículas de hollín, así como la superficie específica y el grado de estructura (ramificación de las cadenas de hollín) dependen de las condiciones de su formación. Las propiedades del negro de humo están determinadas principalmente por estas características. El hollín es una sustancia polidispersa: una muestra de hollín del mismo tipo contiene partículas de diferentes tamaños. Muchas propiedades de los negros de humo, en particular, la superficie específica y el color, dependen del grado de dispersión. Cuanto mayor es la dispersión del hollín, más negro tiene y mayor superficie específica.

La producción de hollín se basa en la descomposición de hidrocarburos bajo la influencia de altas temperaturas. La formación de hollín puede ocurrir en la llama de una materia prima en combustión con acceso de aire limitado, así como durante la descomposición térmica de la materia prima en ausencia de aire. En este caso, el carbono se libera en forma de fase sólida. La reacción es endotérmica; por lo tanto, es necesario introducir calor en el proceso quemando parte de la materia prima o combustibles gaseosos o líquidos. La principal cantidad de hidrocarburos se descompone con la formación de hollín en el volumen de reacción a temperaturas superiores a 1000 ° C. La velocidad de descomposición térmica de los hidrocarburos depende de la temperatura del proceso. Cuanto más alto sea, más partículas de hollín se formarán durante un período de tiempo determinado y, en consecuencia, su diámetro es menor con una cantidad limitada de materias primas. Por lo tanto, se producirá más hollín disperso a temperaturas más altas. El crecimiento de partículas de hollín también se puede prevenir reduciendo la concentración del hidrocarburo descompuesto y el tiempo de residencia de las partículas en la zona de reacción.

La anisotropía de varios grafitos se caracteriza por la relación de los coeficientes de expansión de la muestra en las direcciones paralelas y perpendiculares a las capas. Esta relación varía para varios grafitos de 1 a 30. A presión atmosférica y altas temperaturas, el grafito se sublima sin pasar a estado líquido, pero en la región de altas presiones y temperaturas se derrite, lo cual se estableció a partir del salto en la resistencia eléctrica en aproximadamente T = 4000K yp = 10MPa. El punto de equilibrio de la fusión de grafito-diamante está en el rango de T = 4000-4200K yp = 12.5-13.5 GPa.

La deformación plástica de los cristalitos en varios casos se acompaña de la aparición de líneas de corte visibles y trazas de deslizamiento. La deformación se lleva a cabo en determinadas direcciones, a saber, en los planos y direcciones con la menor resistencia al corte, es decir, a lo largo de los planos formados por átomos de carbono unidos hexagonalmente en una dirección paralela a estos planos. Las peculiaridades de la estructura cristalina del grafito y el pequeño valor de las fuerzas de unión entre sus capas hacen que las capas se deslicen entre sí incluso con tensiones cortantes bajas en la dirección de deslizamiento. Esto hace posible utilizar muchos materiales de carbono-grafito como materiales antifricción que operan sin lubricación debido a las bajas fuerzas de adhesión entre las superficies de contacto. Por otra parte,

En la dirección perpendicular a ellos, el grafito se comporta como un semiconductor, cuya conductividad está determinada por agujeros positivos. Por tanto, es natural que la conductividad eléctrica del grafito en la dirección paralela a las capas sea aproximadamente de dos a tres órdenes de magnitud mayor que la conductividad en la dirección perpendicular a ella. En los materiales de carbono policristalino, la conductividad total está determinada por dos componentes: la conductividad eléctrica de los cristalitos, de tipo metálico, y la conductividad del carbono amorfo, un semiconductor. Ésta es la razón de la dependencia extrema de la conductividad eléctrica de muchos materiales de carbono-grafito de la temperatura: la resistencia eléctrica de un semiconductor disminuye al aumentar la temperatura, mientras que la de un metal aumenta. Por lo tanto, existe una dependencia de la temperatura mínima de la resistencia, además, su posición cambia a la región de temperaturas más bajas con la mejora de la estructura cristalina de la muestra. Por lo tanto, la posición del extremo se puede utilizar para juzgar el grado en que la estructura se acerca al grafito ideal.

Actualmente, se han sintetizado una gran cantidad de SVG, que se están estudiando intensamente. Los SVG se dividen en dos grandes clases: donante y aceptor. La redistribución de la densidad electrónica entre las moléculas intercaladas y los átomos de carbono en el SVG de tipo aceptor conduce a la aparición de una cantidad adicional de agujeros deslocalizados en las capas de grafito. En los compuestos donantes, las sustancias intersticiales donan sus electrones de valencia y la conductividad se lleva a cabo por el exceso de electrones en las capas de carbono. Los compuestos aceptores se forman mediante la introducción de sustancias como halógenos, haluros metálicos, ácidos. Los compuestos donantes se forman mediante la incorporación de metales alcalinos o alcalinotérreos en la matriz de grafito. Ejemplos de compuestos de tipo donante son C 4 K, C 8 Li, C 8Ca y otros. Los compuestos aceptores tienen una composición más compleja, por ejemplo, C 16 Br 2 , C 20 FeCl 3 , C 16 ICl, C 24 HSO  2H 2 SO 4 y otros.

Además, se conocen GHS en los que los espacios entre capas están ocupados alternativamente por dos agentes intercalantes. Estos son los llamados heterocompuestos, un ejemplo típico de los cuales es SVG con СuС1 2e ICl. Amplían aún más las posibilidades de obtener nuevos materiales con un conjunto único de características fisicoquímicas. Durante la intercalación, siempre hay un aumento significativo (2-3 veces) en la distancia entre las capas de grafito, y se puede violar el orden de alternancia de capas, que es característico del grafito monocristalino. Una característica distintiva de SVG es la presencia de todo un espectro de compuestos del mismo intercalado, que difieren en composición y estructura. Se llaman peldaños. El número de paso N es igual al número de redes de grafito entre las capas más cercanas de la sustancia incrustada (Fig. 8). La síntesis de intercalato de ácido nítrico se describe con más detalle. El proceso de incorporación de HNO3 al grafito se puede representar de la siguiente manera:

Gráfico de anuncios HNO gas -> HNO 3

Anuncios 2HNO 3 -> H 2 O + NO  + NO anuncios

NO anuncios + C -> NO anuncios + C +

NO anuncios -> NO gas

nC + + NO  + xHNO 3 -> C + NO  xHNO 3

Como puede verse, la ocurrencia de las reacciones de incorporación de HNO 3 al grafito se debe a los iones nitronio NO 2 formados en el sistema , que actúan como oxidantes de la matriz de grafito, y los iones nitrato NO  y moléculas de HNO 3 se introducen en los espacios intercalares del macrocatión de grafito .

En la práctica, el experimento es bastante simple: se agrega ácido nítrico al grafito en escamas, se mezcla y se elimina periódicamente el NO 2 durante 10-600 minutos . En este caso, dependiendo de la concentración de ácido nítrico, de la relación entre la cantidad de grafito y la cantidad de ácido y del tiempo de síntesis, se forman compuestos de varias etapas. (Cuadro 1, 2) Hay que decir que las condiciones de síntesis para obtener el intercalado de la etapa requerida se seleccionan experimentalmente. Los intercalados de grafito exhiben propiedades típicamente metálicas, alta conductividad eléctrica y algunos de ellos son superconductores. En este caso, los monocristales exhiben anisotropía de conductividad eléctrica (si en el grafito la relación de conductividades a lo largo y perpendicular a las capas es ~ 10 4 , entonces en SVG es ~ 105 – 10 6 ).

La peculiaridad de las propiedades físicas y químicas de estas sustancias les permite encontrar amplias aplicaciones prácticas (los SVG se utilizan para la producción de polarizadores infrarrojos, monocromadores para neutrones de baja energía, filtros ópticos sintonizados a una determinada longitud de onda, dispositivos electroquímicos en pantallas ópticas, sistemas de protección térmica). Entre otras cosas, los gases de efecto invernadero (especialmente nitratos y sulfatos) se utilizan para producir espuma de grafito.

Los compuestos de intercalación de grafito son inestables en el aire y se transforman gradualmente en los llamados compuestos residuales. La concentración del intercalante en tales compuestos es muy baja y depende de la temperatura de desorción. Si el SVG se somete a un calentamiento rápido (choque térmico), la evaporación, así como la descomposición del intercalante, conduce a un fuerte “hinchamiento” de las partículas de grafito. Este efecto se observa para SVG con varios intercaladores: ácidos, cloruros metálicos, halógenos; sin embargo, es más pronunciado para las sales de grafito con aniones de ácidos minerales, cuyas moléculas forman fácilmente productos gaseosos y vaporosos. Las condiciones y productos de la transformación SIG son los siguientes: (Fig.10)

La espuma de grafito (PG) es un material bien estudiado que se utiliza en la industria y la tecnología. Se obtiene por calentamiento muy rápido (choque térmico) de compuestos de diversa naturaleza incrustados en grafito (SVG). En la producción industrial en masa se utilizan compuestos de introducción con ácidos sulfúrico y nítrico, que se obtienen por oxidación química o electroquímica del polvo de grafito natural. Después del choque térmico, se forma un producto, que consiste en partículas de carbono en forma de gusano, una especie de “nieve negra”. Una de las propiedades más importantes de este producto es la capacidad de ser prensado sin aglutinante, lo que permite producir materiales de grafito de varias densidades sobre su base: desde preimpregnados de baja densidad hasta láminas de alta densidad. Ambos tipos de materiales tienen una serie de aplicaciones reales y potenciales: selladores, absorbentes,

Al igual que otras sustancias en capas, como la vermiculita, algunos calcogenuros de metales de transición, el grafito tiene la capacidad de expandirse. Para ello, su espacio entre capas debe contener algún tipo de sustancia incrustada, por lo que es más correcto hablar de la capacidad de espumar compuestos intersticiales en grafito. Calentar los gases de efecto invernadero provoca la ebullición de la sustancia en el espacio entre capas y su evaporación. La evaporación ocurre en un volumen limitado por el tamaño de la muestra, la presión en el espacio entre capas en algún punto excede el valor crítico y la muestra “explota” como una caldera de vapor sobrecalentada. Debido a la estructura en capas, la expansión de la muestra ocurre a lo largo del eje “c”, por lo que las partículas de PG tienen forma de gusano.

El proceso de formación de espuma se caracteriza a menudo por el coeficiente de expansión térmica, que se toma como la relación entre la densidad del grafito original y la densidad de la espuma de grafito. El coeficiente de expansión térmica aumenta con el aumento de la temperatura y, a un cierto valor, alcanza la saturación (para SVG con ácido sulfúrico, la temperatura de saturación es ~ 1100 ° C). El grado de formación de espuma aumenta al disminuir el número de pasos. SVG original. Existe un modelo termodinámico de formación de espuma, según el cual hay una cierta temperatura crítica por debajo de la cual no se observa formación de espuma a ninguna velocidad de calentamiento; por encima de esta temperatura, el intercalado en el SVG se vuelve inestable en comparación con un intercalado puro. Establecido

Todos los GEI son espumantes, pero debido al bajo costo y la eficiencia de producción en la industria, los GEI se producen principalmente a base de GEI con ácido sulfúrico, el llamado bisulfato de grafito. También se utilizan SVG con ácido nítrico, SVG cointercalado con ácidos sulfúrico y acético. La figura 1 muestra las principales etapas de la obtención de materiales de grafito. En la primera etapa, la matriz de grafito se oxida con un agente oxidante fuerte, por ejemplo, nítrico concentrado, ácido crómico, permanganato de potasio y corriente eléctrica.

El SVG resultante, que contiene hasta un 120% en peso de ácido incorporado, se somete a hidrólisis. Durante la hidrólisis, parte de las moléculas de ácido sulfúrico se elimina por lavado, parte se reemplaza por moléculas de agua. Recibió grafito oxidado, que tiene un contenido reducido de ácido sulfúrico y no pierde la capacidad de formar espuma. Reducir la cantidad de ácido sulfúrico en esta etapa es un método tecnológico importante, ya que reduce la cantidad de azufre en el producto final. La presencia de azufre residual corrosivo degradará el rendimiento del producto. La pureza del producto final es una de las características clave del producto que todos los fabricantes se esfuerzan por mejorar.

Además, el gas de escape se espuma mediante una inyección brusca en el horno o la llama del quemador. También existen técnicas alternativas en las que se utiliza radiación infrarroja, microondas o láser como calentador. Se forma una PG a partir de la cual en el futuro se forman los productos de la forma deseada, o se enrolla un rollo de papel de aluminio del que se cortan los productos. La espuma de grafito obtenida del aceptor y donante SVG tiene una morfología de partículas diferente. Por lo tanto, la espuma de grafito basada en el aceptor SVG está formada principalmente por partículas a granel similares a gusanos, mientras que la espuma de grafito basada en el donante SVG tiene pequeñas partículas a granel con capas de grafito desordenadas alternadas. En este capítulo, la morfología de los GEI basada en los GEI aceptores se considera utilizando el ejemplo de los GEI obtenidos a partir del bisulfato de grafito.

El grafito oxidado, como el GVG inicial, tiene una estructura laminar. En este caso, es necesario que el tamaño de las escamas del gas de escape supere un cierto valor crítico, de lo contrario el intercalado se absorberá predominantemente a lo largo de los bordes y no se producirá espuma durante el choque térmico. Si se cumple esta condición, entonces, como resultado del tratamiento térmico, las partículas de grafito oxidado experimentan una fuerte expansión direccional, formando estructuras en forma de gusano. La Figura 2 muestra un tipo típico de partículas de espuma de grafito. Se puede ver que son cilindros porosos largos. Su longitud es de 100 a 300 veces el grosor de la partícula inicial, mientras que sus dimensiones transversales permanecen sin cambios. La relación entre la longitud del “gusano” y el grosor de la muestra sin espuma, el grado de formación de espuma, es una de las características del SG.

La estructura de cada partícula se puede describir en tres niveles diferentes de organización: una partícula individual, los bloques de capas de grafeno que la componen (Fig. 3) y la estructura en capas de cada bloque (Fig. 4). La consideración de la estructura del grafito en cada uno de los niveles es muy importante, ya que la porosidad de los preimpregnados y las láminas depende no solo de las condiciones de procesamiento mecánico, sino también de las propiedades de la espuma de grafito (estructura, grado de formación de espuma); los fragmentos estructurales retienen su estructura en materiales prensados. Por supuesto, en materiales moderadamente prensados, prevalece una disposición desordenada de “gusanos”, los propios materiales exhiben propiedades anisotrópicas que no dependen de la microestructura de las partículas individuales. Sin embargo, con un aumento en la densidad, se produce cierto orden estructural, lo que lleva a una transición de propiedades anisotrópicas a isotrópicas.

En el nivel más bajo de organización (Fig. 4), la microscopía electrónica de barrido muestra que la estructura está compuesta por redes de grafito desorientadas. Esta organización estructural explica, por ejemplo, por qué el material de espuma de grafito comprimido tiene una relación de Poisson negativa (el bloque de espuma de grafito se vuelve más delgado cuando se estira). La estructura de los materiales de grafito se puede visualizar y explicar mediante un sencillo experimento. Se coloca una cantidad predeterminada de la espuma de grafito inicial en el cilindro, luego se presiona firmemente por el pistón entrante hasta que se obtiene un material de cierto espesor. En este caso, se produce la adherencia de las partículas de grafito, presionando en ausencia de aglutinante. Se forma un material de grafito.

La propia espuma de grafito tiene una gran superficie y porosidad, por lo que se utiliza como absorbente bastante eficaz. Sobre su base, se fabrican filtros para la purificación de agua de la contaminación por aceite, filtros para la purificación de gases. Hay muestras de pastas y otros lubricantes sólidos a base de espuma de grafito. Una gran área de investigación y aplicaciones se refiere a las baterías, incluidas las baterías recargables. Por ejemplo, mezclar óxido de magnesio con una pequeña cantidad de polvo de espuma de grafito aumenta la conductividad del bloque de óxido. Esto da como resultado una mayor densidad de energía y potencia de la batería.

Sin embargo, el más extenso es el uso de espuma de grafito para la producción de materiales de sellado basados ​​en láminas de grafito. Su principal ventaja es la elasticidad. Dado que el carbono es un material de alta temperatura (su punto de fusión supera los 3500 ° C), la estructura porosa no se relaja: a las temperaturas y presiones utilizadas por los ingenieros de potencia, no le sucede nada al material. Y no solo a altas temperaturas, sino también a bajas temperaturas de helio. Solo la radiación de los desechos radiactivos, contenedores de almacenamiento para los que en un momento se quiso hacer de grafito poroso, cambia la estructura del material, y aún así no rápidamente. A partir de grafito flexible y elástico, puede cortar juntas de varias formas o tejer hilos en paquetes y hacer los llamados empaques. Los materiales de sellado se utilizan en las industrias automotriz, petrolera y energética.

Pirocarbono

Pirocarbono: películas de carbono formadas en superficies calientes como resultado de la destrucción térmica de sustancias que contienen carbono.

La formación de carbono pirolítico se puede considerar como una cristalización de la fase gaseosa en una superficie sólida (sustrato). A t ~ 1700 ° C, se obtiene un pirocarburo ordenado en dos dimensiones, a t> 1800 ° C, se forma un pirografito ordenado en tres dimensiones.

El tamaño de los cristalitos está determinado por el número de núcleos, y cuanto mayor es la temperatura, mayor es el número, respectivamente, a temperaturas más altas los cristalitos son más finos.

En el proceso de descomposición de un hidrocarburo gaseoso, se forman hidrógeno y carbono, termodinámicamente estables a estas temperaturas, como en la reacción de formación de hollín. Se estableció experimentalmente que el hidrógeno gaseoso inhibe significativamente la acumulación de pirocarburo, por lo que una longitud suficientemente grande de la superficie de las propiedades del pirocarburo sobre el mismo puede cambiar al aumentar la concentración de H 2en la masa de reacción. La formación de carbono pirolítico sobre una superficie sólida se produce simultáneamente con la formación de hollín en el volumen de la fase gaseosa. Estas reacciones se desarrollan en paralelo y compiten. Hay un cierto umbral de concentración de hidrocarburos (~ 3-15% en volumen), por encima del cual el rendimiento de pirocarburos disminuye y el rendimiento de hollín aumenta.

El valor de esta concentración disminuye con una disminución en la superficie del depósito de pirocarburo, un aumento en el tiempo de residencia del reactivo y el volumen de reacción.

Cuando el carbón pirolítico se calienta a 2500 ° C o más, se transforma en pirografito.

Cuando se habla de la síntesis de carbono a partir de la fase gaseosa, se habla de la formación de estructuras ordenadas a partir de un sistema completamente desestructurado.

Sin embargo, a altas temperaturas de síntesis en fase gaseosa, el proceso de formación de cristalitos es casi imposible de rastrear.

Este fenómeno se ha estudiado mejor utilizando el ejemplo de la síntesis en fase líquida de cuerpos carbonosos debido a que se produce a temperaturas más bajas durante más tiempo. Aunque prácticamente se utilizan residuos pesados ​​del refino de petróleo o del refinado de carbón y petróleo que contienen compuestos con alto contenido de carbono, en principio no se excluye que sea posible la formación de estructuras similares al grafito basadas en materias primas de hidrocarburos de fracciones de petróleo ligero. Las fracciones de aceite ligero contienen principalmente hidrocarburos aromáticos parafínicos, nafténicos y monocíclicos, en los que los átomos de C se encuentran en estado sp.2 y hibridación sp 3 . Para transferir estos átomos al estado de hibridación predominantemente sp 2 , característico del grafito, es necesario realizar la deshidrociclación de hidrocarburos de fracciones ligeras. Este proceso se lleva a cabo en el campo de la estabilidad termodinámica de los hidrocarburos aromáticos.

En la región de alta temperatura, los arenos altamente condensados, que constan de varios anillos aromáticos y tienen un sistema electrónico deslocalizado común, son termodinámicamente más estables. Estos hidrocarburos aromáticos condensados ​​pueden considerarse núcleos de planos similares al grafito. Las cocas con una textura desarrollada formada por grandes cristalitos y una baja proporción de la fase amorfa, a una temperatura de 1800-2000 ° C, adquieren la estructura de un grafito perfecto y se denominan grafitizantes. Las cocas formadas por pequeños cristalitos con fuertes reticulaciones entre ellos y con una alta proporción de la fase amorfa no adquieren orden tridimensional incluso a 3000 ° C. Estos materiales se consideran no grafíticos.

La relación entre el grado de grafitización y el tamaño del cristalito es pronunciada, pero no lineal. A un grado de grafitización de 0,5 a 0,6, el tamaño de los cristalitos prácticamente no cambia y luego crece rápidamente. Esto significa que con un aumento en el grado de grafitización, los defectos se eliminan primero dentro de los cristalitos sin cambiar sus dimensiones lineales.

Después de la formación de una estructura similar al grafito de los paquetes, comienzan a unirse en formaciones más extensas, órdenes de magnitud más grandes que sus tamaños iniciales.

Tal imagen es característica de los materiales de grafitización de pozos, cuya grafitización se produce como una mejora continua y expansión de secciones de la estructura similar al grafito debido al agotamiento casi completo de la fase amorfa. Este tipo de grafitización se llama homogénea.

En cuerpos con difícil grafitización, debido al pequeño tamaño de los cristalitos rígidamente fijados por las reticulaciones de la fase amorfa, no es posible cambiar la orientación mutua de las regiones ordenadas con su posterior fusión. La mejora de la red cristalina ocurre solo dentro de los límites de las regiones de carbono turboestrático sin casi ningún aumento en sus dimensiones lineales.

En consecuencia, se retienen cantidades significativas de la fase amorfa en la sustancia junto con los cristalitos grafitizados incluso a temperaturas del orden de 3000° C. Este tipo de grafitización se llama heterogénea.

Por lo tanto, en el rango de temperatura 2000-3000° C, se forma un orden de capas similar al grafito dentro de los cristalitos en materiales tanto grafitizantes como no grafitizantes, y la fracción de la fase amorfa disminuye a un mínimo para cada material. Como en el caso de la carbonización, la diferencia en sus estructuras es cuantitativa y el límite entre ellos es borroso. El material grafitizado, grafito artificial, apenas se diferencia de las muestras naturales en sus propiedades físicas y estructura.

Carbono vidrioso

El carbono vítreo es un material de carbono muy duradero que es prácticamente hermético a los gases. Además, es químicamente inerte, especialmente en una atmósfera reductora. El carbón vítreo es frágil, tiene una superficie exterior casi libre de defectos, que se asemeja al vidrio inorgánico. El carbono vítreo es un producto del procesamiento térmico de polímeros reticulados, principalmente resina de fenol-formaldehído, así como celulosa. Se trata de sustancias cuya estructura no contiene elementos similares al grafito, pero incluye una gran cantidad de enlaces C-O y ciclos aislados. La primera etapa para obtener un artículo de carbono vítreo es moldear y luego curar el material a t≤200 ° C, no asociado con su destrucción. En el curso de nuevas transformaciones, la forma del producto prácticamente no cambia. Con destrucción térmica, por ejemplo,

En los productos de destrucción gaseosos se encontraron hidrocarburos ligeros, monóxido de carbono y vapor de agua. Por encima de 600 ° C, aparentemente, se produce la apertura de los anillos de furano y la posterior aromatización. El crecimiento de capas hexagonales se produce de forma continua entre 700 y 3000 ° C, acompañado de reacciones de deshidrogenación. La difracción de rayos X de carbono vítreo muestra que el tamaño de los cristalitos turboestráticos formados es extremadamente pequeño, y la fracción de carbono amorfo es muy grande, cuyos átomos están en los estados sp, sp 2 y sp 3 . La estructura del carbono vítreo es una maraña de cintas de carbono entrelazadas al azar, que consta de microcristalitos reticulados con enlaces de carbono de diversas magnitudes. Esta estructura, heredada del polímero original, no se presta a la grafitización incluso a 3000 ° C con una exposición prolongada.

Fibra de carbono

Las fibras de carbono se fabricaron originalmente de acuerdo con principios similares a los utilizados en la síntesis de carbono vítreo. El método más común hoy en día es la pirólisis y el posterior procesamiento a alta temperatura de las fibras de polímero. Recientemente, se han desarrollado métodos para producir fibras de carbono a partir de materias primas de brea más baratas. En ambos casos, la forma fibrosa se imparte al artículo en la etapa de pretratamiento y esta forma no cambia durante la pirólisis. Las fibras de materiales poliméricos se obtienen por extrusión a través de las aberturas de una hilera con estirado, mientras que los elementos estructurales individuales del polímero, que inicialmente tienen, por regla general, una forma espiral o globular, adquieren la forma de fibrillas, formaciones filiformes, cuya longitud excede su diámetro en un orden de magnitud o más.

La siguiente etapa es la estabilización de la fibra, generalmente oxidativa, que se reduce a impartirle infusibilidad durante el procesamiento posterior. Es evidente que, en este caso, la formación de la estructura de un cuerpo carbonoso sólido se produce en fase sólida, y las posibilidades de su aproximación a la fase ideal de grafito son limitadas, como en el caso del carbono vítreo. Las materias primas poliméricas más utilizadas para la producción de fibras de carbono son el poliacrilonitrilo (PAN) y el hidrato de celulosa (HC). La principal diferencia entre ellos es la presencia de átomos de oxígeno en la cadena principal del polímero HC. Esto complica la creación de una estructura aromatizada continua del material carbonizado y, en consecuencia, la grafitización posterior.

En este caso, la formación de una red ordenada similar al grafito ocurre con bastante facilidad. Los procesos más complejos de carbonización de la fibra HZ no permiten crear un esquema inequívoco de reacciones sucesivas para la eliminación de átomos de celulosa que no son de carbono. En general, se forma un residuo con alto contenido de carbono a partir de la macromolécula inicial, que retiene la forma de la fibra, y un conjunto de productos de descomposición gaseosos y líquidos de una composición compleja. La carbonización de las fibras PAN y HZ ocurre en el rango de temperatura 400-900 ° C, grafitización – 1800-2500 ° C. Como era de esperar, la mejor grafitabilidad se observa para las fibras a base de PAN.

Las fibras de brea son de dos tipos: isotrópicas y anisotrópicas. Las materias primas para fibras anisotrópicas requieren un tratamiento previo.

Fibras Isotrópicas

Las fibras isotrópicas durante la carbonización y la grafitización, como otros materiales isotrópicos de carbono-grafito, están mal grafitizadas. Las fibrillas de fibras anisotrópicas son capas turbosestraticas de átomos de carbono alargadas y bien orientadas entre sí que forman regiones alargadas. Se crean estructuras similares cuando la fibra se extrae de la brea fundida. Las fibras de brea anisotrópica están bien grafitizadas, las fibrillas de material grafitizado están formadas por cristalitos con una estructura reticular de grafito, que están conectadas por cadenas cortas de carbono desordenado. Estos últimos imparten resiliencia y elasticidad a la fibra junto con alta resistencia. De lo anterior se deduce que que la síntesis en fase sólida de carbono a partir de polímeros naturales o artificiales puede conducir a estructuras capaces o no de grafitización. En este caso, la grafitizabilidad del material se debe enteramente a la estructura del polímero inicial y al grado de ordenación de su estructura. Como en el caso de los coques de brea, una vez solidificada la sustancia inicial, el tratamiento térmico del material no conduce a la formación de extensas regiones de ordenación y textura desarrollada.

Cerámica de carbono

También se utiliza otra tecnología de materiales de carbono. Incluye mezclar una fase sólida triturada (relleno) con un aglutinante en estado viscoplástico, dar forma a la mezcla resultante en la forma deseada y posterior tratamiento térmico. Se utiliza un conjunto bastante grande de sustancias carbonosas sólidas como cargas: carbón, coques de petróleo y esquisto, antracita tratada térmicamente, hollín, etc. La elección del aglutinante es mucho más limitada, por regla general, brea de petróleo y carbón. La composición de carga-aglutinante utiliza una fase sólida que ya pasó la etapa de carbonización. En este sentido, el proceso de obtención de un material de carbono basado en él es el proceso de carbonización de un aglutinante en presencia de un polvo de carga.

La experiencia demuestra que para obtener un material duradero, es necesaria la presencia de áreas liofílicas (humectables) y liofóbicas (no humectables) de la superficie de las partículas de relleno. Las áreas liofílicas proporcionan un contacto superficial con el aglutinante, liofóbico – contacto mutuo de partículas sólidas. La proporción de superficies mojadas a no mojadas debe estar cerca de 0.3-0.5, pero puede variar para un material en particular. Tanto la liofilicidad como la liofobicidad de la superficie pueden cambiarse mediante tratamiento con disolventes, reactivos gaseosos o como resultado de un tratamiento térmico.

En la práctica, la resistencia de los grafitos artificiales resultantes está limitada por la resistencia del coque grafitizado del aglutinante. Suele estar determinada por la proporción de poros en el material de coque. Su densidad resulta ser menor que la del grafito natural, principalmente debido a la formación de poros durante la liberación de volátiles y la contracción del material. En parte, la influencia del efecto de formación de poros puede eliminarse impregnando el material carbonizado, por ejemplo, con brea de baja viscosidad, seguido de la cocción. Este proceso se repite hasta alcanzar un peso constante. La compactación con pirocarburo depositado de la fase gaseosa es más eficiente. Esto hace posible aumentar la densidad y resistencia del material, pero no permite mejorar la estructura cristalina real del grafito artificial a un empaque hexagonal natural casi ideal.

Este problema se resolvió utilizando el fenómeno de fluencia del grafito bajo la acción de una carga mecánica a altas temperaturas (método de tratamiento termomecánico – TMT). La adición de catalizadores metálicos (formadores de carburo) permitió acelerar el proceso de mejora de la estructura del grafito bajo presión. Este método de grafitización se denominó tratamiento termomecánico (TMHO). El producto de la grafitización bajo presión se llama grafito recristalizado. La compactación del material debido a la fluencia se produce debido a la deformación plástica de los elementos individuales del cuerpo de carbono sin interrumpir su continuidad.

Materiales a base de diamante

Desde el momento del surgimiento de la civilización, el diamante ha atraído la atención especial de las personas. Isaac Newton estaba interesado en sus propiedades ópticas. En el siglo XIX. se descubrió que el diamante es una de las formas de existencia del carbono elemental. En 1952. Custers descubrió diamantes semiconductores entre los cristales de diamantes de los depósitos sudafricanos. El diamante es uno de los cristales homeopolares más simples; sus parientes más cercanos son los monocristales de germanio, silicio y “estaño gris”. Los átomos de carbono del diamante están sumamente unidos entre sí, y la solubilidad en equilibrio de la mayoría de las impurezas que contiene, con la excepción del nitrógeno y el boro, es insignificante. El diamante es el material más duro que se conoce en la actualidad y menos compresible que cualquier otro material. El diamante también tiene una alta conductividad térmica a temperatura ambiente, y si está libre de defectos e inclusiones extrañas, es uno de los materiales más transparentes a la luz visible. Se sabe que los cristales de diamantes naturales se distinguen por su individualidad. La inevitable presencia de impurezas en ellos, principalmente nitrógeno, que está presente no solo en el estado atómico, sino también en forma de varios complejos e inclusiones, requiere una selección cuidadosa de los cristales naturales antes de su posterior procesamiento mecánico.

El diamante, una de las sustancias cristalinas más simples en su estructura, ha atraído y sigue atrayendo la atención de personas con intereses extremadamente diferentes durante mucho tiempo. En las últimas décadas, el diamante se ha convertido no solo en un objeto de investigación fundamental, sino también en un material técnico de gran valor. El desarrollo de métodos para la cristalización química de películas de diamante a partir de un plasma de gas a baja presión que contiene iones de carbono sugiere que en un futuro próximo, además de las aplicaciones tradicionales del diamante para el mecanizado de materiales sólidos, el diamante se convertirá en un material importante en la electrónica de estado sólido.

Inicialmente, se intentó obtener diamante a partir del grafito utilizando altas presiones, según el principio de Le Chatelier (densidad del diamante 3,51 g / cm 3 , grafito 2,25 g / cm 3, por tanto, la reacción grafito-diamante procede con una disminución del volumen molar). Sin embargo, estos intentos no tuvieron éxito y los experimentos se reanudaron solo después de la creación de un diagrama de fases del carbono, según el cual el equilibrio grafito-diamante se produce a presiones superiores a 1000 MPa. En este caso, un aumento en la temperatura del proceso también requiere un aumento en la presión de síntesis. Parecería que a temperaturas moderadas, la síntesis de diamantes es posible a presiones más bajas. Sin embargo, la temperatura del proceso debe aumentarse para aumentar la tasa de reordenamiento de enlaces entre átomos. La síntesis de diamantes con una tasa aceptable resultó ser posible a T> 1400-1500 K yp> 1,5-6,0 GPa. Existen equilibrios de fase con el diamante para otras sustancias carbonáceas; sin embargo, debido a la mayor estabilidad termodinámica del grafito, también dan una fase de grafito durante las transiciones estructurales.

La transformación de grafito en diamante ocurre por una transición polimórfica “sólido-sólido” con un cambio en el tipo de enlace sp 2 – sp 3… Bajo la acción de alta presión, el grafito se comprime a lo largo del eje perpendicular a las capas. Se observa su desplazamiento y una disminución de la distancia entre las capas. Después de eso, las capas planas de átomos de carbono se corrugan, convirtiéndose en una estructura de diamante con la formación de enlaces entre las capas. Los tamaños de los cristales resultantes, por regla general, son mucho más pequeños que los naturales, y aún no se ha establecido una conexión directa entre ellos y las condiciones del proceso. Se puede suponer que, como en el caso de la formación de la fase de grafito, estos tamaños están determinados por el número de núcleos cristalinos, la duración del proceso y la elección de temperatura y presión. Por ejemplo, durante la síntesis de diamante por explosión en condiciones de un salto brusco a corto plazo de temperatura y presión, se forma polvo de diamante similar al hollín con partículas microscópicas.

La obtención de diamantes es fundamentalmente posible no solo a partir de grafito natural o artificial, sino también a partir de sustancias que contienen carbono, como hidrocarburos (antraceno, naftaleno), carbohidratos, etc. Sin embargo, hay que tener en cuenta que la elección de las materias primas para la producción de diamantes juega un papel decisivo en el aumento de su calidad. Cuanto más cercana esté la estructura del cuerpo carbonoso inicial a la red cristalina del grafito ideal, mayor será la resistencia y mayor será el tamaño medio del cristal del diamante sintetizado. El proceso de obtención de un diamante de este tipo aún se conoce relativamente poco, lo que no permite predecir la cantidad y calidad de los productos objetivo en cada caso específico.
La presión y la temperatura de la síntesis se pueden reducir notablemente mediante el uso de catalizadores de proceso. Por regla general, se trata de metales de valencia variable: formadores de carburo y sus aleaciones (Mn, Cr, Ta, Ni, Mg-Cu, Mg-Sn, Al-Cu). Intentan explicar la acción catalítica del metal por analogía con la catálisis de grafitización de sustancias carbonosas carbonizadas. Por ejemplo, se supone una mayor solubilidad del grafito en un metal fundido que del diamante. Entonces, incluso una solución insaturada con respecto al grafito estará sobresaturada con respecto al diamante, y este último precipitará en una fase sólida. A veces, la explicación de la formación de diamantes es atraída por el concepto de formación intermedia de carburos, en el que los átomos de carbono aparecen en sp 3-Estado híbrido, que facilita la formación de una red de diamante. Estas hipótesis explican muchos de los fenómenos observados en la síntesis del diamante, pero también hay hechos de catálisis que los contradicen. Los cristales individuales más grandes y perfectos de diamante sintético se cultivaron mediante el método de recristalización, cuando se usa polvo de diamante fino en lugar de grafito como material de partida en una cámara de alta presión. Algunos de los cristales cultivados en presencia de boro eran similares en propiedades eléctricas a los diamantes sudafricanos tipo IIb. Sin embargo, la distribución del boro en dicho diamante sintético no es uniforme.

En 1956, de manera bastante inesperada, se demostró que el crecimiento de películas de diamante es posible en condiciones bastante simples sin el uso simultáneo de presiones y temperaturas muy altas. En los últimos años, los especialistas han desarrollado muchos métodos tecnológicos para la deposición de películas de diamante, cuyo espesor varía desde cientos de angstroms hasta varios milímetros. Es posible que en un futuro muy cercano, las películas de diamante sobre diversos sustratos se conviertan en un material necesario para muchas áreas de aplicación. Recordemos que las películas de silicio policristalino se han convertido en un material óptimo para las células solares y otras aplicaciones. Los límites entre microcristales pueden no representar barreras para los procesos de transferencia de portadores de carga fuera de equilibrio y su recombinación. Las películas delgadas de diamante están atrayendo cada vez más la atención debido a propiedades únicas como dureza extremadamente alta, alta conductividad térmica, transparencia en un amplio rango óptico y alta resistividad. Además, las películas de diamante con impurezas especialmente introducidas se pueden utilizar como materiales semiconductores. En la mayoría de los casos, las propiedades específicas de las películas se deben a varios tipos de defectos, muchos de los cuales pueden detectarse mediante EPR.

Las películas de diamante se pueden obtener en condiciones en las que la tasa de crecimiento del diamante es mucho más alta que la tasa de crecimiento del grafito. Esto es posible en presencia de un grabador, que no actúa sobre el diamante, sino que gasifica los núcleos de grafito. Se muestra que el hidrógeno atómico puede ser un atacante. Uno de los métodos para obtener películas de diamante es el crecimiento de capas semiconductoras epitaxiales de diamante sobre un sustrato de diamante aislante durante la descomposición de hidrocarburos en plasma. Además, se pueden introducir varios compuestos en el plasma durante la deposición de la película de diamante para alterar las características de la película (por ejemplo, se pueden hacer crecer capas de tipo p añadiendo compuestos que contienen boro). Actualmente, es posible cultivar películas de diamante en varios sustratos en instalaciones donde se utilizan filamentos metálicos calentados y el fenómeno de ionización en su superficie para crear un plasma de gas. Descarga de microondas o incluso una antorcha de llama. El área de la película está limitada únicamente por el tamaño de la instalación.

Hay tres variedades de la técnica de deposición de película de diamante: reacción de transporte químico, activación eléctrica y térmica de la fase gaseosa. Los tres métodos tienen en común la composición similar de la fase gaseosa, que incluye componentes tanto de crecimiento como de grabado: partículas de hidrocarburos (moléculas, iones, radicales) e hidrógeno (atómico y molecular). Estos métodos pueden usarse para hacer crecer tanto películas epitaxiales como películas policristalinas, por ejemplo, sobre sustratos tales como Mo, Ni y Si. La temperatura de los sustratos en diferentes casos varía de 600 a 1200 ° C, y la presión en la fase gaseosa no supera 1 atm. Con el aumento de la presión, la tasa máxima de crecimiento de la película cambia a temperaturas más altas. El hidrógeno atómico no solo gasifica formas de carbono que no son diamantes,

Pueden obtenerse películas de tipo p dopadas con boro así como películas de tipo n dopadas con fósforo. Boro con un contenido de menos de 1 at. % entra principalmente en los sitios de la red de diamantes y, en concentraciones altas, también en los sitios intersticiales tetraédricos. La resistividad mínima de tales películas es varios órdenes de magnitud menor que la resistencia de películas similares sin dopar. Actualmente, también se está trabajando para crear cerámica a base de diamante. Las principales características de la tecnología para su producción incluyen el calentamiento hasta 2000 ° C bajo compresión hidrostática de 7-8 GPa. La cerámica de diamante es un sistema de tres componentes de diamante – fase conductora – poros llenos de aire. La porosidad es del 2 al 8%. La exposición local a la radiación láser conduce a la aparición de trayectorias conductoras de una geometría y una resistencia eléctrica determinadas, estable con respecto a otros regímenes de temperatura en un amplio rango. La naturaleza de tales pistas no se ha establecido definitivamente. Lo más probable es que contengan tanto carbono amorfo como nanocristales (grupos) con estructuras de diamante y grafito.

También son útiles los materiales de diamante con diversas impurezas que determinan, por ejemplo, sus propiedades semiconductoras. El boro es una de las impurezas más utilizadas en la actualidad. Generalmente se acepta que los átomos de boro que reemplazan al carbono son centros aceptores estables. La introducción de una impureza de boro en el proceso de crecimiento del diamante y métodos como la implantación de iones permiten el dopaje con boro hasta el límite cuando la conductividad de salto es dominante. Por tanto, el problema de crear un diamante de tipo p utilizando boro como aceptor puede considerarse resuelto. Para obtener diamantes semiconductores de tipo p, se puede utilizar arsénico como dopante.

Para crear un semiconductor de diamante de tipo n, se utiliza P 2 O 5 como componente de aleación., por ejemplo, cuando se obtienen películas de diamante policristalino sobre sustratos de silicio con la orientación (100). Además, se cree que las barreras de alto potencial no surgen en los límites de los granos. Uno de los métodos de dopaje con diamantes es la implantación de iones. El uso de la implantación de iones en relación con el diamante ha parecido natural durante un tiempo relativamente largo. Los primeros artículos publicados informaron sobre la aparición de capas conductoras en la superficie de los cristales irradiados; sin embargo, la interpretación de los resultados no fue inequívoca debido a la posibilidad de transiciones de fase del carbono a otras modificaciones. Posteriormente, se dan las condiciones en las que se produce una restauración casi completa de la estructura de la red de diamante, gravemente dañada durante la implantación de iones de impurezas. En la actualidad, es posible crear regiones de la geometría requerida con la conductividad del agujero utilizando la introducción de iones de boro de acuerdo con programas específicos. Es de particular interés la implantación de iones con energías elevadas (varios megaelectronvoltios).

Aparte del interés puramente científico, las propiedades inusuales del diamante lo hacen muy útil para fines técnicos. Esta gema se usa ampliamente como abrasivo en la industria, como herramienta de corte en cirugía y como disipador de calor en dispositivos electrónicos; su uso en microelectrónica es prometedor. Se obtuvieron cátodos de emisión de campo (emisores de frío) sobre películas de carbono nanocristalino y nanodiamante. Los cristales de diamante natural, de 2-4 mm de tamaño, son económicos, lo que los hace disponibles para su uso en dispositivos como dosímetros o fotocélulas para analizar la radiación ultravioleta del sol. Mediante el método de implantación de iones, se crearon matrices de transistores unipolares y diodos en placas de diamante natural.

Carbino

La forma cristalina del carbeno consta de cadenas de átomos de carbono orientadas en paralelo con hibridación sp de electrones de valencia en forma de macromoléculas rectilíneas de tipos polineo (-C≡C-C≡C -…) o cumuleno (= C = C = C = …) … Estas modificaciones difieren en la composición de los productos de ozonización. La irradiación de películas delgadas de carbono amorfo cultivadas mediante pulverización catódica de grafito con un haz de iones con un haz de electrones de una segunda duración conduce a la cristalización de la carabina. Se llama la atención sobre los experimentos en los que fue posible obtener películas monocristalinas de carabina mediante pulverización catódica con un haz de iones de grafito en condiciones de irradiación iónica de la película desarrollada. El carbeno se condensa en forma de un depósito de carbón blanco en la superficie cuando el pirografito se irradia con un rayo láser de luz, tiene propiedades semiconductoras y una banda prohibida de ~ 1 eV, y con un fuerte calentamiento se convierte en grafito. Bajo la influencia de la luz, la conductividad eléctrica de la carabina aumenta considerablemente. Esta propiedad es la base para la primera aplicación práctica de la carabina: en células solares. Carbyne no pierde fotoconductividad a temperaturas de hasta 500o C.

Actualmente se está investigando la cristalización por ondas de choque del carbino amorfo (carbono de cadena lineal amorfa) y el carbono de cadena lineal amorfo ordenado bidimensionalmente en rayos X; síntesis láser de carbino cristalino a partir de grafito pirolítico y carbono de cadena lineal amorfo ordenado bidimensionalmente por rayos X; Síntesis de ondas de choque de carbino cristalino a partir de grafito pirolítico. Se discuten varios mecanismos de la transformación polimórfica grafito-carbeno, el problema de la existencia de una región de estabilidad termodinámica del carbeno en el diagrama de fase del carbono y la participación hipotética del carbeno (como producto intermedio) en la transformación polimórfica estimulada por choque de grafito altamente orientado en diamante.

Las fibras de carbono, el material estructural ultrarresistente de los últimos años, también pueden estar compuestas por carabina policristalina. Las fibras de carbono se producen mediante tratamiento térmico de fibras de polímero en un entorno de gas noble.

Son hilos superresistentes con propiedades conductoras.

Actualmente se fabrican chalecos antibalas, elementos estructurales de aviones, misiles, los propios motores de cohetes, trajes calentados por electricidad y mucho más.

Por Marcelo Lozano – General Publisher IT Connect Latam

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