Tajemný uhlík Fyzikové v posledních letech objevili rovnou celou řadu nových materiálů složených z různých seskupení atomů uhlíku. Nelze opomenout nástup nanotechnologií, které jsou založeny především na tomto výzkumu uhlíkových struktur. Mnoho z těchto materiálů má opravdu unikátní vlastnosti, které již dnes posouvají technologie do nových končin a aplikací, o kterých se nám donedávna ani nesnilo. Některé tyto struktury mají unikátní vlastnosti jako vodiče elektřiny, a tudíž mají velký význam pro vývoj elektroniky. Karbonové nanostruktury jsou neobyčejně silné a stabilní. Dají se navíc velmi dobře manipulovat do různých tvarů a seskupení. Právě tyto struktury stály za vznikem nanotechnologie, o které se dnes tolik mluví. Díky jejich vlastnostem je možné pomocí jemné manipulace nanostruktur využít tyto materiály pro výrobu mikroskopických elektrických vláken, diod a jiných typů polovodičů a tím výrazně miniaturizovat elektroniku. Dále je možné použít je při výrobě nových pevných materiálů a nosných struktur.
Od uhlí k diamantu Při všech nedávných objevech je už skoro nepředstavitelné, že lidé donedávna považovali diamant a grafit (obyčejná tuha) za rozdílné prvky, ačkoli to jsou dvě různé krystalické struktury prvku jediného – uhlíku. Veškerá hmota kolem nás se skládá z atomů, které jsou základními stavebními bloky či cihlami, z nichž se dá postavit doslova celý vesmír. Tyto atomy se různě seskupují do molekul, komplexních sloučenin, složitých biologických struktur, jako jsou bílkoviny, nebo do krystalů o různých geometriích; podobně jako se z cihel dají postavit 38
různé typy budov, zídek, mostů či uměleckých výtvorů. Právě uhlík nám za poslední roky ukázal, jak jeden prvek dokáže být rozmanitý. Jedná se o nevelký atom s pouhými šesti protony a šesti neutrony. Existuje i nestabilní radioaktivní izotop s osmi neutrony, který se rozpadá velmi pomalu s konstantní rychlostí. Právě tento radioaktivní izotop 14C se používá při určování stáří organických materiálů, ve kterých je všeobecně přítomen. Díky rozpadu uhlíku známe stáří zkamenělin koster dinosaurů s vynikající přesností. Nejzajímavější a svými vlastnostmi nejpestřejší je ovšem klasický izotop 12C. Aby mohl být každý atom neutrální, vyvažuje počet protonů s pozitivním nábojem stejné množství elektronů, které mají naopak náboj negativní. V případě uhlíku je to tedy šest elektronů. Dva z těchto elektronů jsou schované hluboko v atomu blízko jádra s neutrony a protony, které je pevně drží nablízku. Další čtyři elektrony se ovšem pohybují v energetických hladinách „výše“ nad jádrem a tvoří vnější vrstvu atomové obálky, která může interagovat s okolím. Konkrétně tedy s dalšími elektrony v okolí. Uhlík je díky těmto čtyřem valenčním elektronům (tj. elektrony, které vytvářejí vazby s dalšími atomy) schopen tvořit velké molekuly a řetězce. Tyto vazby jsou doslova spojením dvou elektronů, kde každý pochází z jiného atomu. V molekulách se atomy navzájem takto jakoby drží za ruce, jsou propojené těmito páry elektronů. Právě díky schopnosti takto „podat“ čtyři ruce najednou je uhlík základním prvkem pro život, který je založen na komplikovaných molekulách s velkým množstvím atomů. Uhlík při tvorbě těchto obrovských molekul doslova tvoří páteř, která to celé drží pohromadě. Mezi organické sloučeniny se počítají také plasty neboli polymery, které se podobně skládají z takřka nekonečných řetězců uhlíku, na které se ze strany mohou napojovat další atomy, především vodík nebo také chlór, jako nožky na gigantické stonožce. (obrázek 8) 39
metan
iso-oktan benzen
Obrázek 8
V čisté formě se v přírodě objevuje uhlík především ve třech základních formách: grafit, diamant a amorfní uhlík. Amorfní uhlík nemá pravidelnou krystalickou strukturu a v přírodě se objevuje především jako saze nebo uhlí. Diamant je nejznámějším a pro většinu lidí asi nejoblíbenějším alotropem (krystalickou formou) uhlíku. Zároveň se jedná o naprosto nejjednodušší seskupení uhlíkových atomů, kde si prostě navzájem podávají ruce ty nejbližší atomy. Jednotlivé uhlíkové atomy jsou zde uspořádány v krychlové krystalické mřížce se silnými vazbami mezi nimi, které dodávají diamantu neobyčejnou tvrdost a unikátní vlastnosti. Diamant je opravdu nejtvrdším přírodním nerostem, zároveň je ovšem křehký, odpuzuje vodu a má i zajímavé optické vlastnosti. Díky nezvykle vysokému indexu lomu světla diamant silně rozkládá klasické bílé světlo na jednotlivé barevné složky, což mu dodává neobyčejnou jiskřivou krásu. Název pochází z řeckého „adámas“ (άδάμας), v překladu „neměnný“ či „nepřemožitelný“.16 Diamant vzniká za extrémních tlaků stovky kilometrů hluboko pod zemským povrchem, z nichž se dostává na povrch při sopečných erupcích. Největší využití má v průmyslu pro řezání a broušení či ve vědeckém výzkumu, kde se broušené hroty LEWIS, Charlton T.; SHORT, Charles. A Latin Dictionary, Oxford: Clarendon Press, 1879. 16
40
diamantů používají na stlačení hmoty do extrémních podmínek, jako panují třeba uvnitř velkých planet. Nejznámější využití diamantu je samozřejmě ve šperkovnictví. (obrázek 9)
diamant grafit Obrázek 9
Nejčastější a nejstabilnější krystalickou strukturou uhlíku je grafit neboli tuha. Ve struktuře grafitu jsou atomy uspořádány ve vrstvách hexagonální mřížky podobné půdorysu včelího úlu. Vazby mezi atomy spojenými v tomto šestiúhelníkovém vzorci jsou silnější než v diamantu, protože své elektrony sdílí každý atom pouze se třemi sousedy, a tak stejné množství síly sdílí méně vazeb. Proto jsou tyto vrstvy grafitu díky své stabilnější struktuře pevnější než diamant, který je navzdory větší tvrdosti naopak velmi křehký a pod větším tlakem praskne. Hexagonální strukturu není jednoduché rozbít kvůli pevnějším vazbám mezi elektrony. Naopak vazby mezi jednotlivými vrstvami jsou poměrně slabé kvůli velké vzdálenosti mezi vrstvami. Tyto vazby mezi vrstvami také nejsou klasické „podané ruce“ v podobě dvou spojených elektronů, ale jednotlivé vrstvy drží pohromadě tzv. van der Waalsova síla, která slepuje dohromady většinu materiálů. Tato síla vzniká fluktuací elektrického 41
pole molekul a krystalů, které se pohybují, asi jako když přetéká přeplněný hrnec, ve kterém zlostně bublá vroucí polévka. Díky této struktuře se grafit používá v tužkách, protože se vrstvy pěkně loupou a zanechávají za sebou na papíře černou stopu. Ovšem fakt, že čtyři elektrony jsou sdílené pouze mezi třemi atomy znamená, že pro každý atom máme jeden nespárovaný elektron. To má za následek, že na rozdíl od nevodivého diamantu má grafit dostatek volných elektronů, které mohou přenášet elektrický proud stejně jako kovy, které vodí elektrický proud díky volným elektronům. Tato struktura tedy dělá z grafitu také dobrý vodič, protože mezi vrstvami se elektrony mohou volně pohybovat. Grafit jako polokov vede tedy elektrický proud pouze podél těchto vrstev. Vlastnosti kovu také dávají grafitu charakteristický lesk. Kovy mají charakteristicky lesklý povrch právě kvůli těmto volným elektronům, které jsou schopné přímo interagovat se světlem a efektivně jej odrážet. Grafit má mnoho použití v průmyslu i domácnosti, je součástí baterií, brzdných systémů nebo maziv. Thomas Alva Edison17 jej použil jako materiál pro první žárovku, protože vede elektrický proud, ale je těžké ho kvůli jeho pevnosti roztavit, na druhou stranu pěkně bíle září.
Nejpevnější materiály Při zkoumání forem uhlíkových krystalických struktur by si člověk řekl, že snad není možné, aby byl tento prvek ještě Thomas Alva Edison (nar. 1847) byl americký vynálezce a podnikatel. Na jeho jméno je vedeno 2332 patentů, další tisíce jich registrovaly jeho firmy. Mezi nejznámější Edisonovy vynálezy patří fonograf (předchůdce gramofonu) a mylně je k nim počítána i žárovka, kterou ovšem pouze zdokonalil a nechal si ji patentovat. Edison je také zakladatelem dodnes vydávaného prestižního časopisu Science. 17
42