Аморфный углерод
Аморфный углерод — это свободный химически активный углерод, не имеющий кристаллической структуры . Аморфные углеродные материалы можно стабилизировать путем разрыва -связей водородом оборванных π . Как и в других аморфных твердых телах , можно наблюдать некоторый ближний порядок. Аморфный углерод часто сокращается до aC для обычного аморфного углерода, aC:H или HAC для гидрогенизированного аморфного углерода или до ta-C для тетраэдрического аморфного углерода (также называемого алмазоподобным углеродом ). [1]
В минералогии
[ редактировать ] | Эту статью , возможно, придется переписать, Википедии чтобы она соответствовала стандартам качества . ( декабрь 2012 г. ) |
В минералогии аморфный углерод — это название угля , углерода, полученного из карбидов , и других нечистых форм углерода, которые не являются ни графитом, ни алмазом. Однако в кристаллографическом смысле эти материалы не являются полностью аморфными, а скорее поликристаллическими материалами графита или алмаза. [2] внутри аморфной углеродной матрицы . Технический углерод также обычно содержит значительные количества других элементов, которые также могут образовывать кристаллические примеси.
В современной науке
[ редактировать ]С развитием во второй половине 20-го века современных методов осаждения и выращивания тонких пленок, таких как химическое осаждение из паровой фазы , осаждение распылением и катодно-дуговое осаждение , стало возможным изготавливать по-настоящему аморфные углеродные материалы.
Истинный аморфный углерод имеет локализованные π-электроны (в отличие от ароматических π-связей в графите), и его связи образуются с длинами и расстояниями, которые несовместимы с любой другой аллотропной формой углерода . Он также содержит высокую концентрацию оборванных связей; это вызывает отклонения межатомного расстояния (измеренные с помощью дифракции ) более чем на 5%, а также заметное изменение валентного угла. [2]
Свойства аморфных углеродных пленок изменяются в зависимости от параметров, используемых при осаждении. Основным методом характеристики аморфного углерода является соотношение sp 2 sp 3 гибридизированные связи, присутствующие в материале. Графит состоит исключительно из sp 2 гибридизированные связи, тогда как алмаз состоит исключительно из sp 3 гибридные облигации. Материалы с высоким содержанием sp 3 Гибридизованные связи называются тетраэдрическим аморфным углеродом из-за тетраэдрической формы, образованной sp. 3 гибридизированные связи, или как алмазоподобный углерод (из-за сходства многих физических свойств со свойствами алмаза).
Экспериментально, сп 2 sp 3 Соотношения можно определить путем сравнения относительных интенсивностей различных спектроскопических пиков (включая EELS , XPS и рамановскую спектроскопию ) с ожидаемыми для графита или алмаза. В теоретических работах sp 2 sp 3 Соотношения часто получают путем подсчета количества атомов углерода с тремя связанными соседями по сравнению с атомами с четырьмя связанными соседями. (Этот метод требует выбора несколько произвольной метрики для определения того, считаются ли соседние атомы связанными или нет, и поэтому используется просто как показатель относительного sp 2 -sp 3 соотношение.)
Хотя характеристика аморфных углеродных материалов по sp 2 -sp 3 Может показаться, что соотношение указывает на одномерный диапазон свойств графита и алмаза, но это определенно не так. В настоящее время продолжаются исследования способов охарактеризовать и расширить диапазон свойств, предлагаемых аморфными углеродными материалами.
Все практические формы гидрогенизированного углерода (например, дым, дымовая сажа, добытый уголь, такой как битум и антрацит) содержат большое количество полициклических ароматических углеводородных смол и поэтому почти наверняка канцерогенны.
Q-углерод
[ редактировать ]Q-углерод , сокращение от закаленного углерода, считается типом аморфного углерода, который является ферромагнитным , электропроводящим , более твердым, чем алмаз . [3] и способен проявлять высокотемпературную сверхпроводимость . [4] Исследовательская группа под руководством профессора Джагдиша Нараяна и аспиранта Аны Бхаумик из Университета штата Северная Каролина объявила об открытии Q-углерода в 2015 году. [5] Они опубликовали множество статей по синтезу и характеристике Q-углерода. [6] но спустя годы нет независимого экспериментального подтверждения этого вещества и его свойств.
По мнению исследователей, Q-углерод демонстрирует случайную аморфную структуру, которая представляет собой смесь трехкомпонентных (sp 2 ) и 4-ходовой (исп. 3 ) связь , а не равномерный sp 3 связь, обнаруженная в алмазах. [7] Углерод плавится с помощью наносекундных лазерных импульсов, а затем быстро закаливается с образованием Q-углерода или смеси Q-углерода и алмаза. Q-углерод может принимать различные формы: от наноигл до алмазных пленок большой площади. Исследователи также сообщили о создании с азотистыми вакансиями. наноалмазов [8] и Q- нитрид бора (Q-BN), а также превращение углерода в алмаз и h-BN в c-BN. [9] при температуре окружающей среды и давлении воздуха. [10] Группа получила патенты на q-материалы и намеревалась коммерциализировать их. [11]
В 2018 году команда Техасского университета в Остине использовала моделирование, чтобы предложить теоретические объяснения заявленных свойств Q-углерода, включая рекордную высокотемпературную сверхпроводимость, ферромагнетизм и твердость. [12] [13] Однако их моделирование не было проверено другими исследователями.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Робертсон, Дж. (1986). «Аморфный углерод». Достижения физики . 35 (4): 317–374. Бибкод : 1986AdPhy..35..317R . дои : 10.1080/00018738600101911 .
- ^ Jump up to: а б ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) « Алмазоподобные углеродные пленки ». два : 10.1351/goldbook.D01673
- ^ Нараян, Джагдиш; Гупта, Сиддхартх; Бхаумик, Ана; Сачан, Ритеш; Челлини, Филиппо; Риедо, Элиза (2018). «Q-углерод тверже алмаза». МРС Коммуникации . 8 (2): 428–436. дои : 10.1557/mrc.2018.35 . ISSN 2159-6859 .
- ^ Бромвич, Иона (3 декабря 2015 г.). «Новое вещество тверже алмаза, говорят ученые» . Нью-Йорк Таймс . ISSN 0362-4331 . Проверено 22 сентября 2019 г.
- ^ Нараян, Джагдиш; Бхаумик, Ана (07 декабря 2015 г.). «Новая фаза углерода, ферромагнетизма и превращения в алмаз». Журнал прикладной физики . 118 (21): 215303. Бибкод : 2015JAP...118u5303N . дои : 10.1063/1.4936595 . ISSN 0021-8979 .
- ^ «Исследователи нашли новую фазу углерода, получили алмаз при комнатной температуре» . Проверено 22 сентября 2019 г.
- ^ «Q-carbon тверже алмаза, его невероятно легко изготовить | ExtremeTech» . ЭкстримТех . Проверено 22 сентября 2019 г.
- ^ Нараян, Джагдиш; Бхаумик, Ана (2 ноября 2016 г.). «Новый синтез и свойства чистых и NV-легированных наноалмазов и других наноструктур» . Письма об исследованиях материалов . 5 (4): 242–250. дои : 10.1080/21663831.2016.1249805 . ISSN 2166-3831 .
- ^ Нараян, Джагдиш; Бхаумик, Ана (февраль 2016 г.). «Обновление исследования: прямое преобразование h-BN в чистый c-BN при температуре окружающей среды и давлении воздуха» . Материалы АПЛ . 4 (2): 020701. Бибкод : 2016APLM....4b0701N . дои : 10.1063/1.4941095 . ISSN 2166-532X .
- ^ Нараян, Джагдиш; Бхаумик, Ана; Гупта, Сиддхартх; Хак, Арифул; Сачан, Ритеш (6 апреля 2018 г.). «Прогресс в области Q-углерода и родственных ему материалов с необычайными свойствами» . Письма об исследованиях материалов . 6 (7): 353–364. дои : 10.1080/21663831.2018.1458753 . ISSN 2166-3831 .
- ^ Гупта, Сиддхартх; Сачан, Ритеш; Бхаумик, Ана; Пант, Пунам; Нараян, Джагдиш (июнь 2018 г.). «Переохлаждение стимулировало рост Q-углерода, алмаза и графита». МРС Коммуникации . 8 (2): 533–540. дои : 10.1557/mrc.2018.76 . ISSN 2159-6859 .
- ^ Сакаи, Юки; Челиковский, Джеймс Р.; Коэн, Марвин Л. (01 февраля 2018 г.). «Моделирование эффекта легирования бором в сверхпроводящий углерод». Физический обзор B . 97 (5): 054501. arXiv : 1709.07125 . Бибкод : 2018PhRvB..97e4501S . дои : 10.1103/PhysRevB.97.054501 . S2CID 103252354 .
- ^ Сакаи, Юки; Челиковский, Джеймс Р.; Коэн, Марвин Л. (13 июля 2018 г.). «Магнетизм в аморфном углероде». Материалы физического обзора . 2 (7): 074403. arXiv : 1803.11336 . Бибкод : 2018PhRvM...2g4403S . doi : 10.1103/PhysRevMaterials.2.074403 . S2CID 103093007 .