Amorft kol

En modell av amorft kol

Amorft kol är en allotrop av grundämnet kol. I amorft kol befinner sig kolatomerna utan speciell inbördes ordning, till skillnad mot till exempel i grafit, där atomerna ligger ordnade i lager.[1] Ordet amorf betyder formlös. Amorfa kolmaterial kan stabiliseras genom att avsluta dangling π-bindningar med väte. Liksom hos andra amorfa fasta ämnen kan viss kortdistansordning observeras. Amorft kol förkortas ofta till aC för allmänt amorft kol, aC:H eller HAC för hydrerat amorft kol, eller till ta-C för tetraedriskt amorft kol (även kallat diamantliknande kol).[2]

Exempel där amorft kol förekommer är träkol, koks, sot och aktivt kol. Det finns också vissa bergarter som innehåller amorft kol till exempel antracit och stenkol.

Mineralogi

Inom mineralogin är amorft kol den benämning som används för kol, karbidhärlett kol och andra orena former av kol som varken är grafit eller diamant. I kristallografisk mening är materialen dock inte riktigt amorfa utan snarare polykristallina material av grafit eller diamant[3] i en amorf kolmatris. Exempel där amorft kol förekommer är träkol, koks, sot och aktivt kol. Det finns också vissa bergarter som innehåller amorft kol till exempel antracit och stenkol. Kommersiellt kol innehåller vanligtvis också betydande mängder andra element, som också kan bilda kristallina föroreningar.

Amorft kol i modern vetenskap

Med utvecklingen av moderna tunnfilmsdepositions- och tillväxttekniker under senare hälften av 1900-talet, såsom kemisk ångdeposition, sputteravsättning och katodisk bågavsättning, blev det möjligt att tillverka verkligt amorfa kolmaterial.

Verkligt amorft kol har lokaliserat π-elektroner (i motsats till de aromatiska π-bindningarna i grafit) och dess bindningar bildas med längder och avstånd som är oförenliga med någon annan allotrop av kol. Den innehåller också en hög koncentration av dangling-bindningar. Dessa orsakar avvikelser i interatomiskt avstånd (mätt med diffraktion) på mer än 5 procent samt märkbar variation i bindningsvinkeln.[3]

Egenskaperna hos amorfa kolfilmer varierar beroende på parametrarna som används under avsättningen. Den primära metoden för att karakterisera amorft kol är genom förhållandet mellan sp2- och sp3-hybridiserade bindningar närvarande i materialet. Även om karakteriseringen av amorfa kolmaterial med hjälp av sp2-/sp3-förhållandet kan tyckas tyda på ett endimensionellt intervall av egenskaper mellan grafit och diamant, är detta definitivt inte fallet. Forskning pågår för närvarande om sätt att karakterisera och utöka utbudet av egenskaper som erbjuds av amorfa kolmaterial.

Alla praktiska former av hydrerat kol (t.ex. rök, skorstenssot, utvunnet kol som bitumen och antracit) innehåller stora mängder polycyklisk aromatisk kolvätetjära och är därför nästan säkert cancerframkallande.

Q-kol

Q-kol, förkortning för släckt kol, påstås vara en typ av amorft kol som är ferromagnetiskt, elektriskt ledande, hårdare än diamant,[4] och kan uppvisa högtemperatursupraledning.[5] En forskargrupp ledd av professor Jagdish Narayan vid North Carolina State University tillkännagav 2015 upptäckten av Q-kol.[6] De har publicerat många artiklar om syntes och karakterisering av Q-kol,[7] men i slutet av 2020 fanns det ingen oberoende experimentell bekräftelse av detta ämne och dess egenskaper.

Enligt forskarna uppvisar Q-kol en slumpmässig amorf struktur som är en blandning av 3-vägs (sp2) och 4-vägs (sp3) bindning, snarare än den enhetliga sp3-bindningen som finns i diamanter.[8] Kol smälts med hjälp av nanosekunders laserpulser och släcks sedan snabbt för att bilda Q-kol, eller en blandning av Q-kol och diamant. Q-kol kan fås att anta flera former, från nanonålar till diamantfilmer med stor yta. Forskarna rapporterade också skapandet av kvävevakansnanodiamanter[9] och Q-bornitrid (Q-BN), liksom omvandlingen av kol till diamant och h-BN till c-BN[10]vid omgivningstemperaturer och lufttryck.[11] Gruppen erhöll patent på q-material och avsåg att kommersialisera dem.[12]

År 2018 använde ett team vid University of Texas i Austin simuleringar för att visa teoretiska förklaringar av de rapporterade egenskaperna hos Q-kol, såsom högtemperatursupraledning, ferromagnetism och hårdhet.[13][14] Men deras simuleringar har dock fortfarande inte verifierats (2022) av andra forskare.

Övriga kolallotroper

Referenser

Den här artikeln är helt eller delvis baserad på material från engelskspråkiga Wikipedia, Amorphous carbon, 26 juni 2022.

Noter

  1. ^ Rent kol på Ugglans kemi.
  2. ^ Robertson, J. (1986). ”Amorphous carbon”. Advances in Physics 35 (4): sid. 317–374. doi:10.1080/00018738600101911. Bibcode: 1986AdPhy..35..317R. 
  3. ^ [a b] IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997). Online corrected version: (2006–) "diamond-like carbon films". doi:10.1351/goldbook.D01673
  4. ^ Narayan, Jagdish; Gupta, Siddharth; Bhaumik, Anagh; Sachan, Ritesh; Cellini, Filippo; Riedo, Elisa (2018). ”Q-carbon harder than diamond” (på engelska). MRS Communications 8 (2): sid. 428–436. doi:10.1557/mrc.2018.35. ISSN 2159-6859. 
  5. ^ Bromwich, Jonah (3 december 2015). ”New Substance Is Harder Than Diamond, Scientists Say”. The New York Times. ISSN 0362-4331. https://www.nytimes.com/2015/12/03/science/q-carbon-harder-than-diamond.html. Läst 22 september 2019. 
  6. ^ Narayan, Jagdish; Bhaumik, Anagh (2015-12-07). ”Novel phase of carbon, ferromagnetism, and conversion into diamond”. Journal of Applied Physics 118 (21): sid. 215303. doi:10.1063/1.4936595. ISSN 0021-8979. Bibcode: 2015JAP...118u5303N. 
  7. ^ ”Researchers find new phase of carbon, make diamond at room temperature”. Researchers find new phase of carbon, make diamond at room temperature. https://phys.org/news/2015-11-phase-carbon-diamond-room-temperature.html. 
  8. ^ ”Q-carbon is harder than diamond, incredibly simple to make | ExtremeTech”. ExtremeTech. https://www.extremetech.com/extreme/219186-q-carbon-is-harder-than-diamond-incredibly-simple-to-make. 
  9. ^ Narayan, Jagdish; Bhaumik, Anagh (2016-11-02). ”Novel synthesis and properties of pure and NV-doped nanodiamonds and other nanostructures” (på engelska). Materials Research Letters 5 (4): sid. 242–250. doi:10.1080/21663831.2016.1249805. ISSN 2166-3831. 
  10. ^ Narayan, Jagdish; Bhaumik, Anagh (February 2016). ”Research Update: Direct conversion of h-BN into pure c-BN at ambient temperatures and pressures in air” (på engelska). APL Materials 4 (2): sid. 020701. doi:10.1063/1.4941095. ISSN 2166-532X. Bibcode: 2016APLM....4b0701N. 
  11. ^ Narayan, Jagdish; Bhaumik, Anagh; Gupta, Siddharth; Haque, Ariful; Sachan, Ritesh (2018-04-06). ”Progress in Q-carbon and related materials with extraordinary properties” (på engelska). Materials Research Letters 6 (7): sid. 353–364. doi:10.1080/21663831.2018.1458753. ISSN 2166-3831. 
  12. ^ Gupta, Siddharth; Sachan, Ritesh; Bhaumik, Anagh; Pant, Punam; Narayan, Jagdish (June 2018). ”Undercooling driven growth of Q-carbon, diamond, and graphite” (på engelska). MRS Communications 8 (2): sid. 533–540. doi:10.1557/mrc.2018.76. ISSN 2159-6859. 
  13. ^ Sakai, Yuki; Chelikowsky, James R.; Cohen, Marvin L. (2018-02-01). ”Simulating the effect of boron doping in superconducting carbon”. Physical Review B 97 (5): sid. 054501. doi:10.1103/PhysRevB.97.054501. Bibcode: 2018PhRvB..97e4501S. 
  14. ^ Sakai, Yuki; Chelikowsky, James R.; Cohen, Marvin L. (2018-07-13). ”Magnetism in amorphous carbon”. Physical Review Materials 2 (7): sid. 074403. doi:10.1103/PhysRevMaterials.2.074403. Bibcode: 2018PhRvM...2g4403S. 

Media som används på denna webbplats