Ogni decennio che passa vengono scoperte nuove varietà allotropiche di carbonio . Oggi il loro numero ipotetico è già stimato intorno ai 500. Non esiste un altro elemento così versatile al mondo.
Brevi caratteristiche del carbonio
Il carbonio (C) è un elemento classificato come non metallico con numero atomico 6. Ciò significa che ha sei protoni nel nucleo e lo stesso numero di elettroni nella forma non ionizzata. Sebbene sia relativamente raro nella crosta terrestre, forma più composti di qualsiasi altro elemento . È un elemento chiave di tutti gli organismi viventi; costruisce la struttura di proteine, carboidrati e grassi. È presente nell’atmosfera sotto forma di anidride carbonica (CO 2 ), che è una delle fasi del ciclo del carbonio in natura.
Quali sono le varietà di carbonio allotropico?
La struttura composta da atomi di carbonio può assumere molte forme fisiche. Questo fenomeno è indicato come varietà allotropiche di carbonio . L’allotropia è un fenomeno che colpisce un gran numero di metalli e non metalli. Si verifica quando diverse varietà di un dato elemento sono presenti nello stesso stato fisico e hanno proprietà chimiche e fisiche diverse . Possono avere una struttura cristallina o molecolare e differire per il numero di atomi nella molecola. Le varietà di carbonio allotropico più conosciute presenti in natura sono la grafite e il diamante , estremamente differenti per colore, struttura e morbidezza. Inoltre, gli scienziati sono riusciti a creare dozzine di altre varietà in condizioni di laboratorio. 
Grafite: un minerale versatile
Non è un caso che la grafite solitamente associata ad una matita sia un minerale morbido, grigio-nero , untuoso e sporco al tatto. Inoltre è un ottimo conduttore di elettricità e calore, è insolubile in acqua ed ha proprietà lubrificanti. Si presenta in due tipi di strutture: esagonale e trigonale, e i suoi atomi sono collegati tra loro in una rete di piani paralleli. Proprio come gli altri allotropi di carbonio , la grafite è resistente alle alte temperature. Viene utilizzato per la produzione di elettrodi e crogioli, recipienti ignifughi e mattoni refrattari. Inoltre, trova impiego nella produzione di lubrificanti, vernici anticorrosive e agenti lucidanti. La grafite si trova in natura nelle rocce metamorfiche come lo scisto di grafite e lo scisto cristallino. Al giorno d’oggi, il suo più grande produttore è la Cina. Per scopi commerciali, la grafite è ottenuta dalla pirolisi dell’antracite in atmosfera di azoto.
Diamante: la gemma più preziosa
È difficile trovare due allotropi di carbonio più diversi del diamante e della grafite. Il diamante è il minerale più duro al mondo, valutato 10 sulla scala Mohs a 10 punti. Si presenta come cristalli ottaedrici o esaedrici con elevata lucentezza e trasparenza parziale. I diamanti più preziosi sono incolori , ma a causa della contaminazione possono anche diventare gialli, rosa, blu o marroni. Non conducono elettricità ma sono buoni conduttori di calore. Sebbene la loro superficie possa essere graffiata solo da un altro diamante, sono relativamente fragili. I diamanti naturali si trovano principalmente nella kimberlite primaria e nei depositi di briciole formati dalla traslocazione. Le pietre di altissima qualità sono utilizzate principalmente in gioielleria. Dopo opportuna lucidatura prendono il nome di diamanti e raggiungono quotazioni da capogiro sul mercato internazionale. Diamanti di qualità inferiore e cristalli di derivazione sintetica sono anche un’importante materia prima industriale . Per la loro durezza, vengono utilizzati nella produzione di lame, trapani e abrasivi. I diamanti vengono utilizzati anche per produrre elementi di apparecchiature mediche e scientifiche, tester di durezza e paste termoconduttrici. 
Fullereni, cioè allotropi del nerofumo
In natura i fullereni si trovano anche in quantità minori. Sono solidi traslucidi marroni o neri con una lucentezza metallica. Le loro molecole sono costituite da una maggiore quantità di atomi di carbonio, da 28 a anche 1.500. Queste varietà di carbonio allotropico scoperte relativamente di recente sono costituite da molte strutture diverse. Le particelle sferiche C60 che formano cristalli, note anche come "buckyball", sono considerate le più resistenti. Inoltre i fullereni possono assumere anche una forma multistrato (le cosiddette nanobolle ) o cilindrica (i cosiddetti nanotubi ). I fullereni hanno una bassa attività chimica e sono insolubili in acqua. Hanno proprietà di semiconduttore e superconduttore. Di conseguenza, sono ampiamente utilizzati nell’industria elettronica, ottica, biomedica e nanotecnologica. Il loro potenziale antiossidante e farmacologico merita particolare attenzione. A causa della loro struttura e biocompatibilità, possono fungere da vettori di farmaci. I fullereni si ottengono principalmente dal nerofumo. A tale scopo vengono utilizzati numerosi solventi che consentono la separazione di specifici tipi di molecole. In alternativa, possono essere ottenuti da un altro allotropo di carbonio : la grafite bombardata con un raggio laser nel vuoto.
Grafene: carbonio bidimensionale
Uno degli ultimi allotropi di carbonio scoperti è il grafene . Si tratta di una struttura piatta composta da singoli atomi di carbonio disposti a forma di favo. Poiché ha uno spessore di un atomo, è convenzionalmente considerato un materiale bidimensionale. Il grafene è un ottimo conduttore di calore ed elettricità. I suoi maggiori vantaggi includono anche la trasparenza e la velocità del flusso di elettroni estremamente elevata , persino superiore a quella del silicio. Inoltre, il grafene è estremamente duro e resistente allo stiramento. Queste proprietà indicano che il grafene può sostituire il silicio nell’industria elettronica . Le sue applicazioni attuali e future includono la produzione di transistor ad alta velocità, display touchscreen arrotolabili e moduli fotovoltaici con batterie per l’accumulo di energia. Analogamente ad altri allotropi del carbonio, il grafene può essere utilizzato come supporto per farmaci, materia prima per l’ingegneria dei tessuti e persino come agente nella terapia oncologica. Il grafene può essere ottenuto in molti modi diversi. Al giorno d’oggi, le più utilizzate sono la deposizione chimica da vapore (CVD) e la decomposizione termica del carburo di silicio. Il metodo originale per staccare lo strato di atomi di carbonio con l’uso del nastro adesivo viene talvolta utilizzato anche per scopi di laboratorio. 
Ciclocarbonio
Una varietà di carbonio allotropico ancora più recente del grafene è chiamata ciclocarbonio . Forma un anello composto da 18 atomi di carbonio. Ci sono legami singoli e tripli alternati tra di loro. Come il grafene, il ciclocarbonio ha uno spessore di un solo atomo. Tuttavia, le prime stime mostrano che si tratta di un semiconduttore. Le sue altre proprietà rimangono sconosciute. Secondo gli scienziati, sarà possibile creare ciclocarburi con diversi numeri di atomi nell’anello. I loro potenziali usi includono la miniaturizzazione dei dispositivi elettronici .
Altre varietà di carbonio allotropico
Il carbonio, nonostante la sua comunanza, rimane uno degli elementi più affascinanti. La ricerca è ancora in corso per sfruttare al meglio le sue proprietà. Le varietà allotropiche di carbonio sembrano particolarmente promettenti a questo riguardo. Un polimero interessante, rimasto finora nell’ambito di considerazioni ipotetiche, è il carbyne . Questo nome si riferisce a una catena composta da atomi di carbonio con una forza potenziale 40 volte maggiore di quella di un diamante. Tuttavia, questo materiale è così instabile che finora è stato prodotto solo all’interno del nanotubo. Un’altra promettente varietà allotropica di carbonio è la cosiddetta Q-carbon . Ha una struttura tridimensionale in cui gli atomi di carbonio formano tre ligandi. Le sue probabili applicazioni includono il miglioramento dell’accumulo di energia nelle batterie al litio. Inoltre, conosciamo anche la nano-schiuma di carbonio, una struttura cristallina porosa con proprietà magnetiche. Il nerofumo è anche una specifica varietà allotropica amorfa di carbonio. Il futuro mostrerà come verranno utilizzate queste e altre strutture di carbonio uniche. C’è un’abbondanza dell’elemento nel mondo, quindi lo sviluppo della tecnologia non dovrebbe minacciare la stabilità delle risorse o l’ambiente naturale. In effetti, ci sono buone probabilità che le varietà allotropiche di carbonio aiutino a gestire meglio l’energia ea migliorare molti processi industriali.
