Language
Country/Area
No result found
Таинственный аморфный углерод: почему его структура настолько уникальна?
В материаловедении и современной химии аморфный углерод как особая форма углерода привлек внимание бесчисленного количества исследователей. Этот тип углерода уникален тем, что не имеет кристаллической структуры, что делает его очень гибким и изменчивым материалом. Аморфный углерод часто называют просто aC, а в сочетании с водородом его называют aC:H или гидрированным аморфным углеродом (HAC), тогда как тетраэдрический аморфный углерод называется ta-C, также известный как квази-C:H или гидрированный; аморфный углерод (НАУ). Алмазный углерод. В области физических наук изучение аморфного углерода выявило множество потенциальных применений: от электронных устройств до биомедицины. Уникальные характеристики аморфного углерода делают его материалом, заслуживающим более глубокого изучения.
Аморфные углеродные материалы могут устранять π-связи в углах путем соединения с водородом, тем самым стабилизируя их структуру.
В минералогии термин «аморфный углерод» используется для описания угля, углерода, полученного из карбидов, и других нечистых форм углерода. Эти вещества не являются типичным графитом или алмазом. Хотя эти материалы не являются полностью аморфными кристаллографически, они часто представляют собой поликристаллические материалы с графитом или алмазом. В коммерческих целях аморфный углерод часто также содержит другие элементы, которые могут образовывать значительные кристаллические примеси, что еще больше усложняет свойства аморфного углерода.
С развитием во второй половине 20-го века современных технологий осаждения и выращивания тонких пленок, таких как химическое осаждение из паровой фазы, осаждение методом распыления и катодно-дуговое осаждение, были созданы по-настоящему аморфные углеродные материалы. Эти материалы обладают локализованными пи-электронами, которые не образуются на одинаковой длине с другими аллотропами углерода, по сравнению с ароматическими пи-связями графита. Аморфный углерод также содержит относительно высокие оборванные связи, что может вызывать отклонения межатомных расстояний более 5%, а также можно наблюдать значительные изменения валентных углов.
Свойства аморфных углеродных пленок изменяются в зависимости от параметров, используемых при осаждении.
Основным методом определения характеристик аморфного углерода является измерение соотношения смешанных связей sp2 и sp3 в материале. Графит полностью состоит из смешанных связей sp2, а алмаз полностью состоит из смешанных связей sp3. Когда доля смешанных связей sp3 в материале высока, этот тип аморфного углерода также называют тетраэдрическим аморфным углеродом или алмазоподобным углеродом. Это связано с тем, что четырехсторонняя форма, образованная смешанными связями sp3, делает этот тип материала похожим на алмазы по многим физическим свойствам. Экспериментально соотношение sp2 и sp3 можно определить путем сравнения относительных интенсивностей различных спектральных пиков, включая спектры EELS, РФЭС и комбинационного рассеяния света.
Интересно, что хотя одномерное изменение свойств аморфных углеродных материалов между графитом и алмазом можно показать на основе соотношения sp2 и sp3, на самом деле это утверждение не соответствует действительности. Текущие исследования дают представление о свойствах и потенциальных применениях аморфных углеродных материалов. Нельзя игнорировать тот факт, что ПАУ, смолы, присутствуют в больших количествах в гидрогенизированных углеродных соединениях, встречающихся в повседневной жизни (например, дым, дымовая пыль, добываемые угли, такие как битум и антрацит), и поэтому почти все они являются канцерогенными.
Кроме того, исследования последних лет также представили новый аморфный углеродный материал под названием Q-углерод. Q-углерод, называемый отожженным углеродом, считается ферромагнитным, проводящим, даже более твердым, чем алмаз, и способным демонстрировать высокотемпературную сверхпроводимость. В 2015 году профессор Джагдиш Нараян и его исследовательская группа впервые объявили об открытии Q-углерода. Они опубликовали множество работ по синтезу и характеристике Q-углерода, но спустя несколько лет свойства этого вещества так и не были подтверждены независимыми экспериментами.
По мнению исследователей, Q-углерод обладает случайной аморфной структурой и переплетается в sp2- и sp3-связях.
Их команда использовала наносекундные лазерные импульсы, чтобы расплавить углерод, а затем быстро охладить его, чтобы образовать Q-углерод или смесь Q-углерода и алмаза. Материал может принимать разные формы: от наноигольчатых структур до больших алмазных пленок. Они также сообщили о создании таких материалов, как наноалмазы с вакансиями азота и Q-нитрид бора, а также о создании технологии преобразования углерода в алмаз при температуре и давлении окружающей среды. Хотя в 2018 году группа исследователей из Техасского университета в Остине использовала моделирование, чтобы предложить теоретическое объяснение высокотемпературной сверхпроводимости, ферромагнетизма и твердости Q-углерода, эти результаты не были подтверждены другими.
В любом случае исследования аморфного углерода продолжаются, и эта особая форма углеродного материала имеет большой потенциал. Как будущее развитие повлияет на нашу жизнь и технологии Возможно, только время может дать нам ответ?
