Natuurkundigen beschrijven een nieuw type amorfe vaste lichamen

Veel stoffen met verschillende chemische en fysische eigenschappen, van diamant tot grafiet, bestaan ​​uit koolstofatomen. Amorfe vormen van vaste koolstof hebben geen vaste kristalstructuur en bestaan ​​uit structurele eenheden – grafeendeeltjes in nanogrootte. Een team van natuurkundigen van de RUDN University bestudeerde de structuur van amorf koolstof en stelde voor om het te classificeren als een apart type amorfe vaste lichamen: een moleculair amorf met gedwongen fragmentatie. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in het Fullerenen, nanobuisjes en koolstofnanostructuren logboek.

Vaste koolstof heeft veel allotrope modificaties. Het betekent dat stoffen met verschillende chemische en fysische eigenschappen kunnen worden opgebouwd uit één en dezelfde atomen die in verschillende structuren zijn gerangschikt. De verscheidenheid aan koolstofallotropen is te danken aan de speciale eigenschappen van de atomen, namelijk hun unieke vermogen om enkele, dubbele en drievoudige valentiebindingen te vormen. Als door bepaalde reactieomstandigheden alleen enkele bindingen worden gevormd (dwz de zogenaamde sp³-hybridisatie plaatsvindt), heeft vaste koolstof de vorm van een driedimensionaal raster van tetraëders, oftewel een diamant. Als de omstandigheden gunstig zijn voor de vorming van dubbele bindingen (sp²-hybridisatie), heeft vaste koolstof de vorm van grafiet – een structuur van platte lagen gemaakt van kamachtige hexagonale cellen. Individuele lagen van dit vaste lichaam worden grafeen genoemd. Deze twee soorten vaste koolstofstructuren worden zowel in geordende kristallen als in niet-geordende amorfe lichamen waargenomen. Vaste koolstof is wijd verspreid in de natuur, zowel als kristallijn gesteente (grafiet of diamant) afzettingen en in de amorfe vorm (bruine en zwarte steenkool, shungiet, anthraxoliet en andere mineralen).

In tegenstelling tot zijn kristallijne vorm, behoort natuurlijke amorfe koolstof tot de sp² type. Een grote studie van de structuur en elementaire samenstelling van sp² amorfe koolstof werd uitgevoerd op initiatief en met medewerking van een team van natuurkundigen van de RUDN Universiteit. In de loop van de studie heeft het team ook spectrale metingen uitgevoerd met behulp van foto-elektronische spectroscopie, inelastische neutronenverstrooiing, infraroodabsorptie en Raman-verstrooiing. Op basis van de resultaten van het onderzoek concludeerde het team dat sp² amorfe koolstof is een fractale structuur gebaseerd op grafeendomeinen met nanogrootte die zijn omgeven door atomen van andere elementen (waterstof, zuurstof, stikstof, zwavel, enzovoort). Met deze hypothese herschreef het team de geschiedenis van amorf koolstof die de mensheid kent sinds het allereerste door de mens veroorzaakte vuur.

“De ontdekking en experimentele bevestiging van de grafeen-aard van het ‘zwarte goud’ zal de theorie, modellering en interpretatie van experimenten met deze klasse van stoffen volledig veranderen. Sommige vragen blijven echter onbeantwoord. Wat maakt de vaste-stoffysica hiervan? amorfe toestand van vaste koolstof Welke rol speelt amorfe koolstof met sp²-hybridisatie spelen in het grotere geheel? We hebben geprobeerd onze eigen antwoorden te vinden ‘, zegt Elena Sheka, een Ph.D. in natuurkunde en wiskunde, en een raadgevend hoogleraar aan de faculteit natuurkunde en wiskunde en natuurwetenschappen, RUDN University.

Het team heeft twee jaar lang de aard van amorfe koolstof grondig bestudeerd. Andere resultaten van dit ambitieuze project werden gepubliceerd in Fullerenen, nanobuisjes en koolstofnanostructuren, Journal of Physical Chemistry C, en Journal of Non-Crystalline Solids, Nanomaterials. Samen bevestigen deze werken een doorbraak die de natuurkundigen van de RUDN University hebben bereikt op dit complexe gebied van de fysica.

“We hebben veel onderzoeken naar amorf sp²koolstof vanuit het oogpunt van ons algemene begrip van amorfe vaste lichamen. Op basis van ons onderzoek kunnen we bevestigen dat het tot een nieuw type amorfe stoffen behoort, ”voegde Elena Sheka van RUDN University toe.