คาร์บอนอัลโลทรอปิกมีกี่ประเภท?

ลักษณะโดยย่อของคาร์บอน

คาร์บอน (C) เป็นองค์ประกอบที่จัดเป็นอโลหะที่มีเลขอะตอม 6 ซึ่งหมายความว่ามีโปรตอนหกตัวในนิวเคลียสและมีอิเล็กตรอนจำนวนเท่ากันในรูปแบบที่ไม่เป็นไอออน แม้ว่าจะค่อนข้างหายากในเปลือกโลก แต่ ก็ก่อให้เกิดสารประกอบมากกว่าองค์ประกอบอื่นๆ เป็นองค์ประกอบสำคัญของสิ่งมีชีวิตทั้งหมด มันสร้างโครงสร้างของโปรตีน คาร์โบไฮเดรต และไขมัน มันมีอยู่ในบรรยากาศเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ (CO ₂ ) ซึ่งเป็นหนึ่งในขั้นตอนของวัฏจักรคาร์บอนในธรรมชาติ

พันธุ์คาร์บอน allotropic คืออะไร?

โครงสร้างที่ประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนสามารถมีได้หลายรูปแบบ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า พันธุ์คาร์บอนอั ลโลทรอปิก Allotropy เป็นปรากฏการณ์ที่ส่งผลกระทบต่อโลหะและอโลหะจำนวนมาก เกิดขึ้นเมื่อ ธาตุที่ต่างกันมีสถานะทางกายภาพเดียวกัน และมีคุณสมบัติทางเคมีและทางกายภาพต่างกัน พวกมันอาจมีโครงสร้างผลึกหรือโมเลกุลและมีจำนวนอะตอมในโมเลกุลต่างกัน พันธุ์คาร์บอน allotropic ที่รู้จักกันดีที่สุดในธรรมชาติ ได้แก่ กราไฟต์และเพชร ซึ่งมีสี โครงสร้าง และความนุ่มนวลแตกต่างกันอย่างมาก นอกจากนี้ นักวิทยาศาสตร์ยังสามารถสร้างสรรค์พันธุ์อื่นๆ ได้อีกนับสิบชนิดภายใต้สภาพห้องปฏิบัติการ

กราไฟท์ – แร่อเนกประสงค์

ไม่ใช่เรื่องบังเอิญที่กราไฟต์ที่มักเกี่ยวข้องกับดินสอนั้นเป็น แร่ที่อ่อนนุ่ม สีเทาดำ มีความมันเยิ้มและสกปรกเมื่อสัมผัส นอกจากนี้ยังเป็นตัวนำไฟฟ้าและความร้อนที่ดีเยี่ยม ไม่ละลายในน้ำและมีคุณสมบัติในการหล่อลื่น มันเกิดขึ้นในโครงสร้างสองประเภท: หกเหลี่ยมและตรีโกณมิติและอะตอมของมันเชื่อมโยงกันในเครือข่ายของระนาบคู่ขนาน เช่นเดียวกับ carbon allotropes อื่น ๆ ก รา ไฟท์สามารถทนต่ออุณหภูมิสูงได้ ใช้สำหรับการผลิตอิเล็กโทรดและเบ้าหลอม ภาชนะทนไฟ และอิฐทนไฟ นอกจากนี้ยังใช้ในการผลิตน้ำมันหล่อลื่น สีป้องกันการกัดกร่อน และสารขัดเงา กราไฟท์เกิดขึ้นในธรรมชาติในหินแปร เช่น กราไฟต์สชิสต์และสคิสต์ผลึก ปัจจุบันผู้ผลิตรายใหญ่ที่สุดคือจีน เพื่อจุดประสงค์ทางการค้า แกรไฟต์ได้มาจากไพโรไลซิสของแอนทราไซต์ในบรรยากาศไนโตรเจน

เพชร – อัญมณีล้ำค่าที่สุด

เป็นการยากที่จะ หา carbon allotrope สองชนิดที่แตกต่างจากเพชรและกราไฟท์ เพชรเป็น แร่ที่แข็งที่สุด ในโลก โดยได้รับการจัดอันดับที่ 10 ในระดับ 10 จุดของ Mohs มันเกิดขึ้นเป็นผลึกแปดด้านหรือหกเหลี่ยมที่มีความมันวาวสูงและมีความโปร่งใสบางส่วน เพชรที่มีค่าที่สุดไม่มีสี แต่เนื่องจากการปนเปื้อน เพชรเหล่านี้สามารถเปลี่ยนเป็นสีเหลือง ชมพู ฟ้า หรือน้ำตาลได้ ไม่นำไฟฟ้า แต่เป็นตัวนำความร้อนที่ดี แม้ว่าพื้นผิวของมันสามารถขีดข่วนได้ด้วยเพชรอื่นเท่านั้น แต่ก็ค่อนข้างบอบบาง เพชรธรรมชาติเกิดขึ้นส่วนใหญ่ในคิมเบอร์ไลต์ปฐมภูมิและเศษที่เกิดจากการเคลื่อนย้าย หินคุณภาพสูงสุดส่วนใหญ่จะใช้ในเครื่องประดับ หลังจากการขัดที่เหมาะสมแล้วจะเรียกว่าเพชรและมีราคาที่เวียนหัวในตลาดต่างประเทศ เพชรคุณภาพต่ำกว่าและคริสตัลที่ได้จากการสังเคราะห์ยังเป็น วัตถุดิบที่สำคัญทางอุตสาหกรรม อีกด้วย เนื่องจากความแข็งจึงใช้ในการผลิตใบมีด ดอกสว่าน และวัสดุขัดถู เพชรยังใช้ในการผลิตองค์ประกอบของอุปกรณ์ทางการแพทย์และวิทยาศาสตร์ เครื่องทดสอบความแข็ง และแป้งที่นำความร้อน

Fullerenes คือ allotropes ของคาร์บอนแบล็ค

ในธรรมชาติสามารถพบฟูลเลอรีนได้ในปริมาณที่น้อยกว่า พวกเขาเป็นของแข็งโปร่งแสงสีน้ำตาลหรือสีดำที่มีเงาโลหะ โมเลกุลของพวกมันประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนมากกว่า ตั้งแต่ 28 ถึง 1,500 อะตอม พันธุ์คาร์บอน allotropic ที่เพิ่งค้นพบนี้ประกอบด้วยโครงสร้างที่แตกต่างกันมากมาย อนุภาคทรงกลม C60 ที่ก่อตัวเป็นผลึกหรือที่เรียกว่า “บัคกี้บอล” ถือว่าทนทานที่สุด นอกจากนี้ ฟูลเลอรีนยังสามารถอยู่ในรูปแบบหลายชั้น (ที่เรียกว่า ฟอง นาโนนาโน ) หรือทรงกระบอก (ที่เรียกว่า ท่อนาโน ) ฟูลเลอรีนมีฤทธิ์ทางเคมีต่ำและไม่ละลายในน้ำ มีคุณสมบัติเซมิคอนดักเตอร์และตัวนำยิ่งยวด เป็นผลให้มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์, ออปติก, ชีวการแพทย์และนาโนเทคโนโลยี ศักยภาพในการต้านอนุมูลอิสระและเภสัชวิทยาของพวกมันสมควรได้รับความสนใจเป็นพิเศษ เนื่องจากโครงสร้างและความเข้ากันได้ทางชีวภาพ จึงสามารถทำหน้าที่เป็นพาหะนำยาได้ ฟูลเลอรีนส่วนใหญ่ได้มาจากคาร์บอนแบล็ค เพื่อจุดประสงค์นี้ มีการใช้ตัวทำละลายจำนวนหนึ่งที่สามารถแยกโมเลกุลบางประเภทได้ อีกวิธีหนึ่งคือสามารถหาได้จาก carbon allotrope – กราไฟท์ที่ถูกทิ้งระเบิดด้วยลำแสงเลเซอร์ในสุญญากาศ

กราฟีน – คาร์บอนสองมิติ

หนึ่งใน allotropes คาร์บอนที่ค้นพบล่าสุดคือ graphene เป็นโครงสร้างแบนที่ทำจากอะตอมของคาร์บอนเดี่ยวที่จัดเรียงเป็นรูปทรงรังผึ้ง เนื่องจากมีความหนาเพียงอะตอมเดียว จึงถือเป็นวัสดุสองมิติตามอัตภาพ กราฟีนเป็นตัวนำความร้อนและไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม ข้อได้เปรียบที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของมันยังรวมถึงความโปร่งใสและ ความเร็วการไหลของอิเล็กตรอนที่สูงมาก – สูงกว่าในซิลิกอน นอกจากนี้ กราฟีนยังแข็งมากและทนทานต่อการยืดตัว คุณสมบัติเหล่านี้หมายความว่ากราฟีนสามารถแทนที่ ซิลิกอน ใน อุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ ได้ การใช้งานในปัจจุบันและอนาคตของบริษัท ได้แก่ การผลิตทรานซิสเตอร์ความเร็วสูง จอทัชสกรีนแบบม้วนได้ และ โมดูลเซลล์แสงอาทิตย์ พร้อมแบตเตอรี่สำหรับเก็บพลังงาน เช่นเดียวกับ carbon allotropes อื่น ๆ กราฟีนสามารถใช้เป็นพาหะสำหรับยา วัตถุดิบสำหรับวิศวกรรมเนื้อเยื่อ และแม้กระทั่งเป็นตัวแทนในการรักษาเนื้องอก กราฟีนสามารถรับได้หลายวิธี ปัจจุบันมีการใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดคือการสะสมไอเคมี (CVD) และการสลายตัวทางความร้อนของซิลิกอนคาร์ไบด์ วิธีการดั้งเดิมในการแยกชั้นของอะตอมคาร์บอนด้วยการใช้เทปกาวบางครั้งก็ใช้เพื่อวัตถุประสงค์ในห้องปฏิบัติการ

ไซโคลคาร์บอน

ความหลากหลายคาร์บอน allotropic ที่ใหม่กว่า graphene เรียกว่า cyclocarbon เป็นวงแหวนที่ประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอน 18 อะตอม มีพันธะเดี่ยวและพันธะสามสลับกันระหว่างกัน เช่นเดียวกับกราฟีน ไซโคลคาร์บอนมีความหนาเพียงอะตอมเดียว อย่างไรก็ตาม การประมาณการครั้งแรกแสดงให้เห็นว่าเป็นสารกึ่งตัวนำ คุณสมบัติอื่น ๆ ของมันยังไม่ทราบ ตามที่นักวิทยาศาสตร์จะสามารถสร้างไซโคลคาร์บอนด้วยจำนวนอะตอมที่แตกต่างกันในวงแหวนได้ ศักยภาพการใช้งานรวมถึงการ ย่อขนาดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

พันธุ์คาร์บอนอัลโลทรอปิกอื่นๆ

คาร์บอนแม้จะเป็นเรื่องธรรมดา แต่ก็ยังเป็นองค์ประกอบที่น่าสนใจที่สุดอย่างหนึ่ง ยังคงมีการวิจัยเพื่อใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติของมันให้ดียิ่งขึ้น คาร์บอนพันธุ์ Allotropic ดูเหมือนจะมีแนวโน้มเป็นพิเศษในแง่นี้ พอลิเมอร์ที่น่าสนใจซึ่งยังคงอยู่ในขอบเขตของการพิจารณาสมมุติฐานคือ คาร์ไบน์ ชื่อนี้หมายถึงสายโซ่ที่ทำจากอะตอมของคาร์บอนซึ่งมีความแข็งแกร่งมากกว่าเพชรถึง 40 เท่า อย่างไรก็ตาม วัสดุนี้มีความไม่เสถียรจนถึงขณะนี้ มีการผลิตเฉพาะภายในท่อนาโนเท่านั้น คาร์บอนอัลโลทรอปิกที่มีแนวโน้มว่าจะมีความหลากหลายอีกประการหนึ่งคือ คิวคาร์บอน ที่เรียกว่า มันมีโครงสร้างสามมิติซึ่งอะตอมของคาร์บอนก่อตัวเป็นสามแกนด์ การใช้งานที่เป็นไปได้ ได้แก่ การปรับปรุงการจัดเก็บพลังงานในแบตเตอรี่ลิเธียม นอกจากนี้เรายังรู้จักคาร์บอน นาโนโฟม ซึ่งเป็นโครงสร้างผลึกที่มีรูพรุนพร้อมคุณสมบัติทางแม่เหล็ก คาร์บอนแบล็กยังเป็นคาร์บอนแบล็คที่เป็นอสัณฐานเฉพาะของคาร์บอนแบล็ก อนาคตจะแสดงให้เห็นว่าจะใช้โครงสร้างคาร์บอนเหล่านี้และโครงสร้างคาร์บอนที่เป็นเอกลักษณ์อื่นๆ อย่างไร มีองค์ประกอบมากมายในโลก ดังนั้นการพัฒนาเทคโนโลยีไม่ควรคุกคามความมั่นคงของทรัพยากรหรือสภาพแวดล้อมทางธรรมชาติ อันที่จริง มีโอกาสดีที่คาร์บอนพันธุ์ allotropic จะช่วยจัดการพลังงานได้ดีขึ้นและปรับปรุงกระบวนการทางอุตสาหกรรมหลายอย่าง