Svět kolem nás je plný rozličných a zajímavých materiálů. A spousta z nich, hlavně těch moderních, které nejspíš čeká velká budoucnost, se skládají z téže složky, třebaže jejich vlastnosti bývají často velice odlišné. Tou složkou je uhlík.

Uhlík je šestým prvkem v Mendělejevově periodické tabulce - to znamená, že má v jádře šest protonů a šest neutronů a v obalu šest elektronů. Ty se nacházejí ve dvou vrstvách, v té bližší jádru jsou dva elektrony, v té vzdálenější čtyři. A právě tyto čtyři elektrony - nazývané valenční - zodpovídají za rozdílné vlastnosti různých forem uhlíku.

Jednotlivé atomy uhlíku se spojují tím, že jeden svůj elektron spojí s jedním elektronem jiného uhlíkového atomu (odborně se tomu říká kovalentní vazba a mluví se o sdílení elektronového páru). A právě to, jakým způsobem se spojí, určuje vlastnosti výsledné struktury.

Grafit

Nejstabilnější, a tedy nejčastější, je forma, kdy se atomy spojí v jedné vrstvě s šestiúhelníkovým vzorem, každý atom je tedy spojen s třemi dalšími a má jeden elektron volný. Materiál, který vznikne naskládáním více takových vrstev na sebe, se nazývá grafit a známe jej jako obyčejnou tuhu. Pokud nejsou vrstvy naskládány úhledně na sobě, nýbrž víceméně náhodně, nevznikne grafen, ale sazovité materiály jako například uhlí. Síly, které drží atomy v jednotlivých vrstvách pohromadě, jsou velmi silné, avšak jednotlivé vrstvy pohromadě drží jen slabé síly (zvané van der Waalsovy), a proto je grafit tak měkký.

Pokud se ovšem použije jen jedna jediná vrstva, získáme velmi silný materiál jménem grafen. Objeven byl týmem Andre Geima a Konstantina Novoselova na University of Manchester, za což získali v roce 2010 Nobelovu cenu. Grafen je elektricky vodivý a průhledný (i když pohlcuje cca 2,3 % průchozího světla, což je na vrstvu tlustou jeden atom nečekaně hodně), nejzajímavější je ovšem jeho pevnost. Mez pevnosti (tahové napětí, které unese bez porušení) dosahuje teoreticky až více než 100 GPa, zatímco oceli obvykle mají mez pevnosti ve stovkách MPa.

Pomyslným srolováním vrstvy grafenu vznikají uhlíkové nanotrubičky s velice podobnými vlastnostmi. Ty se používají jako součást kompozitních materiálů, kdy se velké množství nanotrubiček zalije např. do epoxidové pryskyřice. Takto vzniklý uhlíkový kompozit je velmi lehký, ale zároveň pevný. Používá se často pro sportovní náčiní, ale i na karoserie aut nebo trupy letadel. Bohužel mohou být zdraví škodlivé - některé studie tvrdí, že vdechnutí nanotrubiček má na plíce podobně nepříjemný vliv jako vdechnutí azbestu, nemluvě o tom, že zůstávají v přírodě a hromadí se v potravním řetězci.

Diamant

Druhou možností je, že každý atom uhlíku se spojí se čtyřmi dalšími, a to ne v jedné rovné vrstvě, nýbrž vytvoří prostorovou strukturu. Tím vznikne diamant - oblíbený šperk, proslulý svou tvrdostí a leskem. Za obě tyto vlastnosti samozřejmě vděčí právě své struktuře - silné vazby atomů způsobují tvrdost, zatímco jejich uspořádání v prostoru zase lom světla a tím i duhový lesk. Dnes již umíme diamant vyrobit z grafitu, když na grafit zapůsobíme velmi vysokým tlakem a velmi vysokou teplotou, čímž donutíme atomy uhlíku se přeskládat do struktury diamantu. Vyrobit diamant, který by se hodil pro šperkařství stejně jako přírodní diamanty, je ovšem náročné, a tak se umělé diamanty častěji používají jako velmi ostré řezné materiály.

Protože je ovšem struktura diamantu méně stabilní než struktura grafitu, postupně se všechny diamanty mění v grafit (ovšem potrvá ještě miliardy let, než to začne být poznat).

Karbyn

Poslední formou uhlíku, o níže se tady podrobněji zmíníme, je karbyn. Je to materiál velice nový, třebaže teoreticky se jeho existence předpokládala již dávno. Je tvořen jediným (teoreticky nekonečným) řetězcem uhlíkových atomů, v němž se střídají jednoduché a trojné vazby (v jednoduché vazbě se jeden elektron jednoho atomu spojí s jedním elektronem jiného atomu, v trojné vazbě se spojí tři elektrony jedné strany s třemi elektrony druhé strany).

Vyrobit karbynový řetězec je v praxi velice složitá věc, protože není stabilní - teprve v roce 2016 se vědcům podařilo vytvořit řetězec dlouhý 6400 atomů, který navíc musí chránit dvoustěnná uhlíková nanotrubice jako obal. Ze všech zmíněných materiálů je zdaleka nejsilnější - jeho pevnost dosahuje až 250 GPa.

Všechny zmíněné materiály mají různá zajímavá využití i tam, kde bychom to možná nečekali. Tak například grafen se může používat i na ochranu starých obrazů. Nepropouští vlhkost ani oxidační činidla a pohlcuje část světla - ale propouští ho dost, aby lidské oko mělo požitek z obrazu prakticky nezkalený. A kdoví, třeba se jednou díky uhlíku dočkáme i výtahu na oběžnou dráhu.

Samozřejmě existují i další formy uhlíku, které jsme zde nezmínili, například fullereny nebo lonsdaleit tvořící krystaly tvrdší než diamant.

Napsal: Heliodor

Zdroje:

1. MIODOWNIK, Mark. Neobyčejné materiály: podivuhodné příběhy látek, které vytvářejí náš svět. Překlad Aleš Drobek. První vydání v českém jazyce. Praha: Dokořán, 2016. 254 stran. Aliter; svazek 61. ISBN 978-80-7363-765-1.

2. Kotrechko, S., Mikhailovskij, I., Mazilova, T. et al. Mechanical properties of carbyne: experiment and simulations. Nanoscale Res Lett 10, 24 (2015). https://doi.org/10.1186/s11671-015-0761-2

3. Wikipedia ;)