Klávesové zkratky na tomto webu - základní
Přeskočit hlavičku portálu

Zázračný prvek – uhlík. Pějme na něj ódy.

5. 05. 2016 13:00:00
Kdyby v dnešní době vznikla pohádka Sůl nad zlato, jmenovala by se spíš Uhlík nad zlato. Ona literární princezna byla uvážlivá a musela by uznat, že ještě větší význam než sůl má právě uhlík.

Samozřejmě, že by se marnivému králi ani uhlík nelíbil - vždyť to je snad nejběžnější prvek, je ho všude ve vesmíru i v živých tělech... jenže uhlík je i diamant.

O tom se ví, už od 18. století - dokázal to pokusem - spálením diamantu za vysokých teplot francouzský chemik Antoine Lavoisier. Fyzikovi P.W. Bridgmanovi se podařilo převést za vysokého tlaku a při teplotě 3000oC diamant na grafit.

Naopak - čili přeměnit uhlík na diamant se podařila až ve druhé polovině minulého století a od 60. let toho století se diamanty vyrábějí synteticky v několika zemích světa, včetně bývalého Československa (Pramet Šumperk). Syntetické diamanty se vyrábějí za tlaků 5 – 10 GPa a teplot 1500oC – 2000oC z grafitu. Při této výrobě je nutná přítomnost kovových katalyzátorů (Fe, Co, Ni, Cu).

Další formou uhlíku jsou vlákna vyvinutá v 60. letech 20. století. Jejich použití je při zpevňování polymerů - vznikají tím kompozity. Mají velmi nízkou hustotu, vysokou pevnost, vysoký modul pružnosti, snášejí vysoké teploty, jsou antikorozní a chemicky odolná. Využití mají zejména v letecké a kosmické technologii a při výrobě sportovního náčiní - třeba oštěpů.

Uhlík je opravdu nad zlato - ve formě diamantu je to nejtvrdší materiál, je nejlepším mazadlem, jsou z něj nejpevnější vlákna, jako aktivní uhlí je nejlepší absorbent plynů... a neustále objevujeme jeho nové formy - ať už sou to uhlíkové nanotrubičky, které najdou využití, kde se to dříve zdálo nemožné. Mohou sloužit jako chemické senzory, elektronický obvod, vysokorychlostní procesory... nebo sklený uhlík, který nejlepší heliovou bariérou... uhlíkové nanopěny...grafenový papír...

Boom uhlíku začal Buckyball

Zasvěcení jí říkají buckyball, více je známá jako fulleren - neboli molekula C60, která je nejkulatější, tím pádem nejstabilnější a vzhledem ke své stabilitě i nejhojnější ze všech existujících fullerenových molekul počínaje C20 . Tvoří se v uhlíkové plazmě při teplotách kolem 3000 K.

V den, kdy u nás děti jdou po prázdninách do školy, tři vědci na Rice University prováděli experiment - laserové odpařování grafitu, jehož výsledkem byly saze a v nich byla objevena molekula uhlíku C60. Bylo to v roce1985 a na počest architekta R.Buckminstera Fullera, jehož konstrukce tvaru komolého ikosaedru (dvacetistěnu) se této molekule podobají, dostala jeho jméno. Ti objevitelé jsou Robert F. Curl (USA), Richard E. Smalley (USA) a Harold W. Kroto (Anglie), a v roce 1996 dostali za fullereny Nobelovu cenu za Chemii. Fullereny jsou teplotně stálé, mají stejné vlastnosti jako polovodiče a při nízkých teplotách jsou supravodivé a úplně z oblasti sci-fi je jejich schopnost měnit světlo v elektrický proud. Tuto neobyčejnou vlastnost chce využít firma Siemens - její výzkumníci pracují na vývoji fotodetektorů pro medicínskou techniku.

Samotná výroba fullerenů není nijak tajemná - laboratorně například vznikají při vypařování grafitu v elektrickém oblouku mezi dvěma grafitovými elektrodami v atmosféře inertního plynu (hélium), který musí mít ovšem dostatečný tlak - optimální je 10 MPa. Řízeným spalováním organických látek vyrábí fullereny průmyslově japonská Frontier Carbon Corporation (dceřina firma Mitsubishi).

Dalším "uhlíkovým nanozázrakem" je uhlíkové nanovlákno. Poprvé se podařilo vyrobit v roce 2003 elektrickým obloukem mezi dvěma uhlíkovými elektrodami ve vodíkové atmosféře na japonské universitě v Nagoy týmu profesora Yosinoriho Ando. Bylo z atomů uhlíku protažené uhlíkovou nanotrubičkou. V lednu 2005 vědci z laboratoře v Los Alamos vytvořili jednovrstvé uhlíkové nanovlákno dlouhé 40 milimetrů.

U uhlíkových nanovláken jistě očekáváte také řadu zajímavých vlastností, nebudete zklamaní. Možná víte, že sloučeniny uhlíku se klasifikují podle typu chemické vazby - známé jsou hybridní vazby "sp3" - diamant, "sp2" -grafit, fullereny, nanotrubičky a "sp" - uhlíkové řetězce. Specialitou nanovláken je, že obsahují dva typy chemické vazby - a to "sp" a "sp2".

A využití? V kosmických lodích v podobě ultrasilných vláken jako ložiska bez tření nebo v elektronice mohou být vysoce koherentním bodovým zdrojem elektronových paprsků.

A nakonec se podívejme na uhlíkové nanotrubičky, v roce 1990 je vědci vytvořili v obloukovém výboji mezi uhlíkovými elektrodami. Jsou z čistého uhlíku s průměrem mezi jedním a. třiceti nanometry a dosahují délky až jeden milimetr. Mohou být duté, jednovrstvé (single walled nanotube – SWNT) nebo složené z více vrstev (multiwalled nanotube – MWNT).

Podle své struktury se chovají jako polovodiče nebo mají vlastnosti kovů a vedou elektrický proud tisíckrát lépe než měď a s příměsemi kovů vykazují supravodivost. Dále, jsou lepší vodič tepla než diamant, který je dosud nejlepším jeho vodičem (i čisté stříbro je horší), mají dvacetkrát větší pevnost v tahu než ocel (jejich pevnost v tahu je předpokládána až na 200 GPa), jsou ohebné a lehké. Mají schopnost zachycovat velké objemy plynů, iontů, vyztužovat polymerní vlákna a sloužit jako základní materiál v nanotechnologiích.

Pokud je překřížíte a vložíte do magnetického pole, začnou se vzájemně kolem sebe ovíjet a lepit se, po vyslání napěťového impulsu se oddělí. K manipulaci s nimi slouží například speciální Atomic Force Microscope.

Při velmi rychlém katalytickém růstu vznikají útvary ve tvaru nanorohů .

Další Hi-tech uhlíkové materiály s uplatněním v elektrotechnice, hutnictví, ale i v medicíně jsou: Pružný grafit vzniká interkalační reakcí přírodního nebo vysoce orientovaného pyrolytického grafitu s oxidačními činidly. Interkalace označuje proces při němž je molekula nebo iont (host) umísťován do hostitelské mřížky. Struktura hostitelské části zůstává v komplexu host-hostitel neboli v interkalační sloučenině (interkalátu) stejná nebo pouze mírně odlišná od původního hostitele.

Dále pak po tepelném zpracování je takto vzniklý expandovaný grafit lisován bez pojidel a výztuže na pružné fólie. Používá se pro těsnění, které odolává vysokým teplotám a nevadí mu ani velké teplotní skoky a agresivní prostředí. Může být použit i jako topný článek nebo pro vykládání odlévacích forem pro roztavené kovy, které jím nejsou smáčeny.

Pyrolytický uhlík je monolitický materiál získaný chemickým rozkladem těkavých uhlovodíkových sloučenin na podložce v rozsahu teplot 727 - 1827°C. Jeho skvělou vlastností je nepropustnost pro plyny. Průmyslové využití je v oblasti rezistorů, povlaků pro jaderná paliva, v raketové technice jako vystýlka trysek, pokryvy grafitových lodiček, kelímků, kyvet a elektrod v analytické chemii.

Skelný uhlík je monolitický negrafitující uhlík, prakticky nepropustný pro kapaliny i plyny. Vyrábí se pyrolýzou termosetových polymerů, které mají vytvořenu trojrozměrnou strukturní síť. Karbonizace je prováděna běžně na 800 - 1200°C, podle účelu využití následuje další zpracování do 3000°C. Používá se jako náhrada platiny či křemenného skla v chemických laboratořích, v metalurgii a k výrobě stavebních prvků v jaderné technice. Má vysokou biokompatibilitu, proto nachází využití v medicinální praxi na implantáty.

Uhlíkové aerogely se vyznačují nízkou měrnou hmotností, super nízkou tepelnou vodivostí, vysokým měrným povrchem a zajímavými elektrickými vlastnostmi. Využití nacházejí nejen jako tepelné isolace, ale především v dobíjecích bateriích a palivových článcích a jako nosiče katalyzátorů.

V roce 2002 byla připravena uhlíková nanopěna - je výsledkem práce týmu fyziků z australské národní laboratoře v Canbeře. Uhlíkový terčík v argonové atmosféře vystavili působení výkonného laserového pulsního systému.

Mikrostruktura, která se vytvořila po zahřátí na teplotu 10 000 °C, připomíná jakési vzájemně

pospojované sítě uhlíkových trubiček, 5 nm dlouhých. Vnitřní struktura uhlíkové nanopěny

obsahuje 35% uhlíků a na rozdíl od všech dosud známých diamagnetických

forem uhlíku vykazuje paramagnetické chování.

Materiál, který vědci hodlají nově využít, je grafen. V roce 2004 ho laboratorně poprvé společně vyrobili profesor André Geim z University of Manchester a Dr Kosťa Novoselov z Černogolovky. Jedná se o jednoatomovou rovinnou vrstvu uhlíku. Atomy jsou v ní vzájemně propojeny a uspořádány do šestiúhelníků.

Grafen má unikátní optické, elektrické, tepelné a mechanické vlastnosti: Je opravdu velmi pevný a trvanlivý a materiály, která budou na jeho základě vyrobeny, se budou podobat diamantu. Pro všechny jeho vlastnosti a tenkost si grafen ke svým experimentům, které by vedly k tvorbě nových materiálů, zvolil profesor Rodney Ruoff z Northwestern University v Illinois. Společně s kolegy provedl oxidaci grafitu. Získali oxid grafitu, ze kterého po doplnění vody vznikne suspenze oxidu grafenu.

A k čemu bude tento materiál sloužit? K výrobě "grafenového papíru" - u něj vědci vypozorovali, že se zvětšujícím se stupněm oxidace se zároveň mění i jeho vlastnosti - nejdříve se stává polovodičem a následně i dielektrikem - což znamená, že materiál může být polarizován a je elektrickým nevodičem.

Pro tuto svoji vlastnost - schopnost polarizace bude možné nový materiál využít v elektrotechnice - vrstva grafenového papíru nebo materiálů vyrobených na jeho bázi se nanese například na skleněnou podložku, a tak ho bude možné využít do solárních článků, anebo také bude velmi vhodným materiálem pro tvorbu různých druhů elektronických papírů - a to dokonce asi zatím ze všech používaných materiálů tím nejlepším.

Další jeho využití bude podle profesora Ruoffa v kompozitních materiálech určených pro konstrukci letadel, v automobilovém průmyslu a ve stavebnictví.

Po přečtení článku jistě už chápete opodstatněnost toho "pět ódy na uhlík".

Autor: Jita Splítková | čtvrtek 5.5.2016 13:00 | karma článku: 18.63 | přečteno: 464x

Další články blogera

Jita Splítková

Počítač má umění rád I.

Nové možnosti pro zobrazování reality i pocitů aneb hlína může být i virtuální. Úvodem krátký sci-fi horor, kterým vás uvedu do světů, kde je vše možné.

30.3.2017 v 9:36 | Karma článku: 3.04 | Přečteno: 110 | Diskuse

Jita Splítková

Jak na vysávání a utírání prachu

Také nesnášíte tyto domácí práce? Kdo by je miloval. Jsem autorka sci-fi, tak jsem si prostě vymyslela, jak by takový vysavač koberců a prachu měl vypadat. Teď už jen čekám na to - kdo ho vyrobí?

29.3.2017 v 13:21 | Karma článku: 9.40 | Přečteno: 547 | Diskuse

Jita Splítková

Tulipánové šílení

V životě jsem nenarazila na člověka, co by neměl rád tulipány. Jsou tak úžasné graciézní a roztomilé, tajemné i veselé. A patří k Praze. Takže něco málo infa a víc portrétů, které jsem vytvořila pánům tulipánům.

29.3.2017 v 8:20 | Karma článku: 12.42 | Přečteno: 216 | Diskuse

Jita Splítková

Technologie, které třesou a zatřesou světem …

Velkým hitem jsou polymery. Zajímají vědce i výrobce řadu let a dá se říct, že neustále dokáží překvapit.

28.3.2017 v 8:21 | Karma článku: 12.30 | Přečteno: 350 | Diskuse

Další články z rubriky Věda

Jan Veselý

Zase už nejjasnější

jenže tentokrát ráno, aneb Topocentrický pohled na vesmír v dubnu 2017. Dubnová obloha nepatří jen Venuši, zahlédnout můžeme také Merkur, celou noc je vidět Jupiter a zajímavý kousek předvede i Měsíc.

30.3.2017 v 19:00 | Karma článku: 7.68 | Přečteno: 100 | Diskuse

Jita Splítková

Počítač má umění rád I.

Nové možnosti pro zobrazování reality i pocitů aneb hlína může být i virtuální. Úvodem krátký sci-fi horor, kterým vás uvedu do světů, kde je vše možné.

30.3.2017 v 9:36 | Karma článku: 3.04 | Přečteno: 110 | Diskuse

Dana Tenzler

Proč jsou radioteleskopy výkonnější než „obyčejné“ teleskopy?

Říká se jí radiointerferometrie. Metoda, díky níž se dají pozorovat vzdálené galaxie. Pracuje s přesností, o jaké se teleskopům, pracujícím s viditelným světlem, bude dlouho jen zdát.

30.3.2017 v 8:00 | Karma článku: 13.31 | Přečteno: 178 | Diskuse

Jan Řeháček

Když bouchne Yellowstone...

Jednu z hlavních rolí v katastrofickém filmu "2012" hraje Yellowstonská kaldera, kráter obří sopky dřímající pod stejnojmenným národním parkem. Její další výbuch by měl zničující následky pro celý kontinent. Máme se začít obávat?

29.3.2017 v 9:09 | Karma článku: 33.89 | Přečteno: 3193 | Diskuse

Jita Splítková

Technologie, které třesou a zatřesou světem …

Velkým hitem jsou polymery. Zajímají vědce i výrobce řadu let a dá se říct, že neustále dokáží překvapit.

28.3.2017 v 8:21 | Karma článku: 12.30 | Přečteno: 350 | Diskuse
Počet článků 155 Celková karma 12.54 Průměrná čtenost 473

Literátka, výtvarnice, fotografka, básnířka, popularizátorka vědy a techniky. Vyšly jí čtyři knihy - Mýty v zrcadle vědy a fantazie, Po stopách tajemných umělců a záhadných pokladů, Na konci kolejí, Pronajmu svět Zn. Virtuální. Měla řadu samostatných výstav po celé ČR. Od roku 1997 vydávala na Netu různé e-ziny zaměřené na sci-fi, techniku a vědu. Zelós (1997-2000), Universum (2000 - 2004), Futurologie (2003 -2009). V letech 2000- 2004 pracovala pro e-zin Neviditelný pes. Do roku 2010 publikovala vědecko-populární články snad ve všech seriózních novinách a časopisech. V současné době se převážně věnuje psaní beletrie a to sci-fi, focení a digitální grafice.

http://sciafant.blogspot.cz/

http://vasagita.blogspot.cz/



Najdete na iDNES.cz

mobilní verze
© 1999–2017 MAFRA, a. s., a dodavatelé Profimedia, Reuters, ČTK, AP. Jakékoliv užití obsahu včetně převzetí, šíření či dalšího zpřístupňování článků a fotografií je bez souhlasu MAFRA, a. s., zakázáno. Provozovatelem serveru iDNES.cz je MAFRA, a. s., se sídlem
Karla Engliše 519/11, 150 00 Praha 5, IČ: 45313351, zapsaná v obchodním rejstříku vedeném Městským soudem v Praze, oddíl B, vložka 1328. Vydavatelství MAFRA, a. s., je členem koncernu AGROFERT.