Key Points

• timantti on tunnettu hiilen allotrooppi, jossa esiintyy kovuutta ja suurta valon dispersiota. Se on vaikein tunnettu luonnollinen mineraali ja löytää sovelluksia leikkaus, poraus, ja koruja, ja mahdollisena puolijohdemateriaalina.
• grafeeni on yksi hiiliatomien kerros, joka on järjestetty yhteen tasoon; grafeenikerrokset muodostavat grafiittia. Grafeeni on kiinnostava materiaali johtuen sen suuresta elektronien liikkuvuudesta ja sen mahdollisista sovelluksista elektroniikassa.
• fullereenit ovat hiiliallotrooppien luokka, jossa hiili on onton pallon, ellipsoidin tai putken muodossa. Tähän materiaaliluokkaan kuuluvat hiilinanoputket, buckyballit ja hiljattain löydetyt nanoputket.

termi

• allotrooppiset alkuaineen eri muodot.

Allotropia on joidenkin alkuaineiden ominaisuus esiintyä kahdessa tai useammassa eri muodossa eli allotrooppina, kun niitä esiintyy luonnossa. Hiilen allotrooppeja on useita.

timantti

timantti on luultavasti tunnetuin hiilen allotrooppi. Hiiliatomit ovat järjestäytyneet hilaksi, joka on pintakeskisen kuutiollisen kiderakenteen muunnelma. Sillä on superlatiivisia fysikaalisia ominaisuuksia, joista suurin osa on peräisin sen atomien välisestä voimakkaasta kovalenttisesta sidoksesta. Jokainen timantin hiiliatomi on sitoutunut kovalenttisesti neljään muuhun hiileen tetraedrissa. Nämä tetraedrit muodostavat yhdessä kolmiulotteisen verkoston kuusijäsenisistä hiilirenkaista tuolin konformaatiossa, mikä mahdollistaa nollasidoskulman kannan. Tämä kovalenttisten sidosten ja kuusikulmaisten renkaiden vakaa verkosto on syy siihen, että timantti on niin uskomattoman vahva substanssina.

tämän seurauksena timantilla on kaikkien bulkkimateriaalien korkein kovuus ja lämmönjohtavuus. Lisäksi sen jäykkä ristikko estää monien elementtien saastumisen. Timantin pinta on lipofiilinen ja hydrofobinen, eli se ei voi kastua veden vaikutuksesta vaan voi olla öljyssä. Timantit eivät yleensä reagoi minkään kemiallisen reagenssin kanssa, mukaan lukien vahvat hapot ja emäkset. Timantin käyttökohteita ovat leikkaus, poraus ja hionta; korut; ja puolijohdeteollisuudessa.

grafiitti

grafiitti on toinen hiilen allotrooppi; toisin kuin timantti, se on sähköjohdin ja puolimetalli. Grafiitti on hiilen stabiilein muoto standardiolosuhteissa ja sitä käytetään lämpökemiassa standarditilana määriteltäessä hiiliyhdisteiden muodostumislämpöä. Luonnongrafiittia on kolmea tyyppiä:

grafiitilla on kerroksellinen, tasomainen rakenne. Jokaisessa kerroksessa hiiliatomit on järjestetty kuusikulmaiseen hilaan, jonka ero on 0,142 nm ja tasojen (kerrosten) välinen etäisyys on 0,335 nm. Grafiitin kahdella tunnetulla muodolla, alfalla (heksagonaalinen) ja beetalla (rhomboedrinen), on hyvin samanlaiset fysikaaliset ominaisuudet (paitsi että kerrokset pinoutuvat hieman eri tavalla). Kuusikulmainen grafiitti voi olla joko tasaista tai solkista. Alfamuoto voidaan muuttaa betamuodoksi mekaanisella käsittelyllä, ja beetamuoto palautuu alfamuodoksi kuumennettaessa yli 1300 °C. grafiitti voi johtaa sähköä johtuen valtavasta elektronien delokalisoitumisesta hiilikerrosten sisällä; elektronien liikkuessa vapaasti sähkö liikkuu kerrosten tason läpi. Grafiitilla on myös itsevoitelevia ja kuivavoitelevia ominaisuuksia. Grafiitilla on käyttökohteita verta sisältävissä ja kuumuutta kestävissä materiaaleissa, sillä se kestää jopa 3000 °C: n lämpötiloja.

yksittäistä grafiittikerrosta kutsutaan grafeeniksi. Tämä materiaali näyttää satunnaisia sähkö -, lämpö-ja fysikaalisia ominaisuuksia. Se on hiilen allotrooppi, jonka rakenne on yksi tasomainen levy sp2-sidottuja hiiliatomeja, jotka ovat tiheästi pakattu hunajakennon kidehilaan. Hiilen ja hiilen sidoksen pituus grafeenissa on ~0.142 nm, ja nämä levyt pinoavat grafiitiksi, jonka planeettojen välinen etäisyys on 0,335 nm. Grafeeni on hiilen allotrooppien kuten grafiitin, puuhiilen, hiilinanoputkien ja fullereenien perusrakenne. Grafeeni on puolimetalli tai nollarakoinen puolijohde, joka mahdollistaa suuren elektroniliikkuvuuden huoneenlämpötilassa. Grafeeni on jännittävä uusi materiaaliluokka, jonka ainutlaatuiset ominaisuudet tekevät siitä jatkuvan tutkimuksen kohteena monissa laboratorioissa.

amorfinen hiili

amorfinen hiili tarkoittaa hiiltä, jolla ei ole kiderakennetta. Vaikka amorfista hiiltä voidaan valmistaa, on olemassa vielä joitakin grafiittimaisen tai timanttimaisen hiilen mikroskooppisia kiteitä. Amorfisen hiilen ominaisuudet riippuvat materiaalissa olevien SP2: n ja sp3: n hybridisoituneiden sidosten suhteesta. Grafiitti koostuu puhtaasti sp2 hybridisoituneista sidoksista, kun taas timantti koostuu puhtaasti sp3 hybridisoituneista sidoksista. Materiaalit, jotka ovat korkeat sp3 hybridisoituneet sidokset kutsutaan tetraedrinen amorfinen hiili (koska tetraedrimuoto muodostuu sp3 hybridisoituneet sidokset), tai timantti-kuten hiili (koska samankaltaisuus monet sen fysikaaliset ominaisuudet kuin timantti).

fullereenit ja nanoputket

Hiilinanomateriaalit muodostavat toisen luokan hiilen allotrooppeja. Fullereenit (joita kutsutaan myös buckyballeiksi) ovat erikokoisia, kokonaan hiilestä koostuvia molekyylejä, jotka muodostavat onttoja palloja, ellipsoideja tai putkia. Buckyballs ja buckytubes ovat olleet intensiivisen tutkimuksen kohteena, sekä niiden ainutlaatuisen kemian että niiden teknologisten sovellusten, erityisesti materiaalitieteen, elektroniikan ja nanoteknologian vuoksi. Hiilinanoputket ovat lieriömäisiä hiilimolekyylejä, joilla on poikkeuksellinen lujuus ja ainutlaatuiset sähköiset ominaisuudet ja jotka ovat tehokkaita lämmönjohtimia. Hiilinanobudit ovat vastikään löydettyjä allotrooppeja, joissa fullereenin kaltaiset ”silmut” ovat kovalenttisesti kiinnittyneet hiilinanoputken ulkoseiniin. Nanobudeilla on siis sekä nanoputkien että fullereenien ominaisuuksia.

lasimainen hiili

lasinen tai lasimainen hiili on hiililuokka, jota käytetään laajalti elektrodimateriaalina sähkökemiassa sekä proteeseissa ja korkean lämpötilan upokkaissa. Sen tärkeimmät ominaisuudet ovat korkea lämmönkestävyys, kovuus, alhainen tiheys, alhainen sähkövastus, alhainen kitka, alhainen lämmönkestävyys, äärimmäinen kestävyys kemiallisille hyökkäyksille ja läpäisemättömyys kaasuille ja nesteille.

muita allotrooppeja

muita hiilen allotrooppeja ovat hiilinanofoam, joka on matalatiheyksinen hiiliatomien ryhmittymä, joka on koukussa löyhään kolmiulotteiseen verkkoon; puhdas atomi-ja diatomihiili; ja lineaarinen asetyleenihiili, joka on yksiulotteinen hiilipolymeeri, jonka rakenne on-(C:::C)n -.