Djamant u grafita: id-dinja affaxxinanti ta 'żewġ allotropi

Fil-ħajja tagħna ta 'kuljum, il-karbonju jeżisti f'ħafna forom, l-aktar magħrufa minnhom huma grafita fi ċomb tal-lapes u djamanti li jgħammxu - djamanti. Għalkemm huma derivati ​​mill-istess element, il-proprjetajiet fiżiċi tat-tnejn huma differenti ħafna, mill-kulur, ebusija sal-punt tat-tidwib, li juru d-diversità u l-maġija tal-karbonju.

Differenzi strutturali: fehim tad-differenzi makroskopiċi mill-mikroskopiku

Id-djamant u l-grafita huma t-tnejn magħmulin minn atomi tal-karbonju konnessi minn bonds kovalenti, iżda l-arranġament tagħhom huwa kompletament differenti. Id-djamant huwa ħafna aktar diffiċli mill-grafita minħabba li l-atomi tal-karbonju fid-djamant huma rranġati fi struttura tetrahedral, u kull atomu tal-karbonju huwa konness ma 'erba' atomi tal-karbonju oħra, li jiffurmaw struttura ta 'netwerk spazjali estremament iebsa u uniformi. Ma jimpurtax f'liema direzzjoni tiġi applikata l-forza esterna, għadd kbir ta 'bonds kovalenti jeħtieġ li jinkisru fl-istess ħin biex jiddeformawh jew ikissruh.

 

B'kuntrast, l-istruttura tal-grafita tidher li hija ħafna "maħlula". L-atomi tal-karbonju fil-grafita huma rranġati f'saffi, u l-atomi tal-karbonju f'kull saff huma konnessi mill-qrib b'rabtiet kovalenti biex jiffurmaw grilja eżagonali, filwaqt li s-saffi huma konnessi ma 'xulxin minn forzi ta' van der Waals aktar dgħajfa. Id-distanza bejn is-saffi hija kbira wisq u l-forza hija dgħajfa wisq, għalhekk huwa faċli li tkun "imkisser wieħed wieħed" - l-ewwel faċilment "jgħorok" f'saffi estremament irqaq, u mbagħad l-istruttura tas-saff mikroskopiku tinqered faċilment minn esterni forzi. Din l-istruttura f'saffi tagħti lill-grafita lubriċità u plastiċità tajba, li tagħmilha faċli biex tinqata 'u tifforma, u l-ebusija tagħha hija ħafna inqas mid-djamant.

 

Mill-grafita għad-djamant: il-miraklu tas-sinteżi artifiċjali

Minħabba d-differenza enormi bejn djamant u grafita, ix-xjentisti ilhom impenjati li jesploraw metodi biex jissintetizzaw djamant mill-grafita. Mill-tentattiv tal-forn elettriku b'temperatura għolja ta 'Moissan, għall-metodu ta' splużjoni aktar tard, metodu ta 'depożizzjoni tal-fwar, u mbagħad għall-metodu modern ta' temperatura għolja u pressjoni għolja, kull innovazzjoni teknoloġika timmarka l-approfondiment tal-fehim tal-bniedem tal-materjali tal-karbonju u t-titjib tat-tekniċi kapaċitajiet. Speċjalment il-metodu ta 'depożizzjoni tal-fwar u l-metodu ta' temperatura għolja u pressjoni għolja, l-ewwel jista 'jkabbar films tad-djamanti jew kristalli fuq sottostrat speċifiku billi jikkontrolla b'mod preċiż il-proċess ta' depożizzjoni tal-atomi tal-karbonju; dan tal-aħħar juża l-effett katalitiku tal-katalizzaturi taħt kundizzjonijiet ta 'temperatura għolja u pressjoni għolja biex jikkonverti l-grafita f'partiċelli kbar ta' djamant, li jintużaw f'għodod tal-qtugħ industrijali u ġojjellerija.

 

Anomalja ta 'ebusija u punt ta' tidwib: Għaliex id-djamant għandu punt ta 'tidwib baxx?

Minn perspettiva mikroskopika, it-tidwib ifisser li l-partiċelli li jiffurmaw is-sustanza jiksbu libertà fl-ispazju tridimensjonali u jistgħu jiċċirkolaw liberament. Għad-djamant u l-grafita, din il-libertà teħtieġ il-qerda simultanja ta 'numru kbir ta' bonds kovalenti, għalhekk il-punti tat-tidwib tagħhom huma għoljin ħafna.

 

Għall-biċċa l-kbira tal-kristalli, iktar ma tkun għolja l-ebusija, iktar ikun għoli l-punt tat-tidwib. Madankollu, fil-każ ta 'djamant u grafita, l-ebusija u l-punt tat-tidwib huma inkonsistenti.

 

Għalkemm id-djamant huwa magħruf għall-ebusija mingħajr paragun tiegħu, il-punt tat-tidwib tiegħu huwa aktar baxx b'mod mhux mistenni minn dak tal-grafita. Ir-raġuni wara dan hija relatata mill-qrib mas-saħħa tal-bonds kovalenti u l-karatteristiċi strutturali tagħhom. L-atomi tal-karbonju fid-djamant jużaw ibridizzazzjoni sp3, u t-tul tal-bond kovalenti ffurmat huwa itwal (0.155nm) u l-enerġija tal-bond hija relattivament baxxa; filwaqt li l-atomi tal-karbonju fil-grafita jużaw ibridizzazzjoni sp2, it-tul tal-bond huwa iqsar (0.142nm) u l-enerġija tal-bond hija ogħla. Għalhekk, meta ż-żewġ materjali jittrasformaw minn solidu għal likwidu, għalkemm numru kbir ta 'rabtiet kovalenti jeħtieġ li jitkissru, ir-rabtiet kovalenti aktar b'saħħithom fil-grafita jeħtieġu enerġija ogħla biex jinkisru, li jirriżulta f'punt ta' tidwib ogħla għall-grafita milli għad-djamant (3680 grad għal grafita u 3550 grad għad-djamant).

 

Konduttività Termali ta 'Graphite u Diamond

Il-grafita hija materjal b'konduttività termali eċċellenti, u l-konduttività termali tagħha hija ħafna ogħla minn ħafna materjali komuni. Il-firxa tal-konduttività termali tal-grafita hija ġeneralment għolja, iżda l-valur speċifiku jvarja skont il-kwalità tal-grafita u l-kundizzjonijiet tat-test.

 

L-istruttura f'saffi tal-grafita hija ċ-ċavetta għall-konduttività termali effiċjenti tagħha. L-atomi tal-karbonju fis-saffi huma marbuta sewwa b'rabtiet kovalenti qawwija biex jiffurmaw struttura stabbli, li twassal għat-trasferiment rapidu tas-sħana. Madankollu, minħabba li s-saffi huma konnessi minn forzi dgħajfa ta 'van der Waals, il-konduttività termali tal-grafita fid-direzzjoni tas-saffi ta' bejn is-saffi hija relattivament dgħajfa. Minkejja dan, il-grafita għadha tintuża ħafna bħala materjal ta 'ġestjoni termali f'ambjenti ta' temperatura għolja, bħal sinkijiet tas-sħana, films konduttivi termali, eċċ. Il-konduttività termali eċċellenti u l-istabbiltà kimika tagħha għandhom rwol importanti f'dawn l-applikazzjonijiet.

 

Għad-djamant, għalkemm id-djamant huwa iżolatur u ma fihx elettroni ħielsa, għandu l-aħjar konduttività termali tas-solidi kollha. Il-konduttività termali tagħha tikklassifika fost l-aqwa fin-natura. ‌F'temperatura tal-kamra, il-konduttività termali tad-djamant tista' tilħaq 2000 ~ 2200 W/(m·K), li hija 4~5 darbiet dik tar-ram u tal-fidda, 4 darbiet dik tal-karbur tas-silikon (SiC), 13-il darba dik tas-silikon ( Si), u 43 darba dak tal-gallium arsenide (GaAs). Barra minn hekk, il-konduttività termali tad-djamant tat-tip IIa f'temperatura tan-nitroġenu likwidu tista 'tilħaq 25 darba dik tar-ram, li turi konduttività termali super. Id-djamant għandu proprjetajiet kimiċi stabbli, huwa reżistenti għall-aċidi u l-alkali, u ma jirreaġixxix ma 'ċerti kimiċi f'temperaturi għoljin. Dawn il-proprjetajiet jippermettulha żżomm konduttività termali tajba anke f'ambjenti estremi.

 

M'hemm l-ebda elettroni ħielsa fl-istruttura tad-djamanti, allura kif jista 'jkollha konduttività termali? Jirriżulta li l-essenza tal-konduttività termali u l-konduttività elettrika hija differenti, li hija determinata min-natura mikroskopika tas-sħana - l-essenza mikroskopika tas-sħana hija l-moviment tal-partiċelli. Jekk ir-rata tal-moviment tal-partiċelli mikroskopiċi hija mgħaġġla, il-manifestazzjoni esterna hija temperatura għolja. Dan il-moviment ta 'partiċelli mikroskopiċi jista' jkun ħieles u irregolari, jew jista 'jkun awto-vibrazzjoni fuq il-kannizzata. Jista 'jiġi immaġinat li l-konduttività termali eċċellenti tad-djamant tinkiseb mill-vibrazzjoni tal-atomi tal-karbonju nfushom fuq il-kannizzata. Minħabba l-arranġament ordnat ħafna tal-kannizzata tad-djamanti, u l-fatt li l-frekwenza tal-vibrazzjoni tagħha hija konsistenti ħafna mal-frekwenza meħtieġa għall-konduzzjoni tas-sħana (essenzjalment mewġa elettromanjetika), din il-vibrazzjoni tal-atomi tal-karbonju tista 'faċilment tikkawża reżonanza fil-kristall, u b'hekk malajr li tmexxi s-sħana minn post għall-ieħor, u tagħmel id-djamant is-sustanza solida bl-aħjar konduttività termali.

 

Din il-konduttività termali unika tagħmel djamant użat ħafna f'oqsma ta 'teknoloġija għolja. Pereżempju, fl-ippakkjar taċ-ċippa tas-semikondutturi, id-djamant jista 'malajr imexxi s-sħana biex jipprevjeni li ċ-ċippa taħdem ħażin jew tnaqqas l-affidabilità minħabba temperatura eċċessiva. Barra minn hekk, id-djamant jintuża wkoll għall-manifattura ta 'sinkijiet tas-sħana u materjali ta' interface ta 'konduttività termali għolja għal apparati elettroniċi ta' qawwa għolja. Minħabba l-konduttività termali għolja tiegħu u l-koeffiċjent ta 'espansjoni termali baxx, jista' effettivament inaqqas il-bidla dimensjonali tal-materjal meta t-temperatura tinbidel, u ttejjeb l-istabbiltà u l-affidabbiltà tat-tagħmir.

Peress li l-allotropi tal-karbonju, id-djamanti u l-grafita juru proprjetajiet makroskopiċi kompletament differenti permezz tal-mikrostrutturi uniċi tagħhom. Mit-trasformazzjoni reċiproka tagħhom għal proprjetajiet fiżiċi anomali, kull skoperta hija rivelazzjoni profonda tal-misteri tan-natura u xhieda tal-għerf tal-bniedem u l-progress teknoloġiku.