Obasjavajući laserom tanke slojeve ugljika dobiven je Q-ugljik (Q-carbon), Q od engleske riječi quenching (hlađenje). Do sada nepoznata alotropska modifikacija ugljika, nikada otkrivena u prirodi.
Za vodu se trojna točka nalazi tek stotinku stupnja iznad ništice (0,01 oC ili 273,16 K). To znači da pri toj temperaturi tekuća voda, led i vodena para stoje u ravnoteži - voda niti isparava, niti se ledi. Tlak pare iznad vode (i dakako leda) iznosi točno 611,73 Pa (= 0,006 bar), pa se trojna točka vode tako i označava (273,16 K/611,73 Pa).
Trojna točka ugljika definira se malo drugačije. Pri temperaturi od 5000 K i 12GPa rastaljeni ugljik i dvije njegove krute alotropske modifikacije, grafit i dijamant, stoje u ravnoteži. To znači da se dijamant ne može dobiti iz taline na temperaturi nižoj od 5000 K i tlaku manjem od 12GPa (što je isto kao i 120 tisuća bara). No to ipak ne znači da se ne može dobiti iz grafita.
Točno je da se dijamant može dobiti i iz grafita pri nižem tlaku i temperaturi, no oni su svejedno još uvijek vrlo visoki. Umjetni se dijamanti naime proizvode grijanjem grafita na 2000 K pri tlaku od 6-10 GPa, no u smjesu se dodaju i katalizatori (obično je to željezo, koje je pri tim uvjetima, razumije se, rastaljeno) da bi se proces ubrzao. (Inače bi se dobili sasvim mali dijamanti.) To su znanstvene činjenice, koje jasno proizlaze iz faznog dijagrama ugljika. Pri visokim se tlakovima grafit pretvara u dijamant, a pri nižim dijamant se (grijanjem) pretvara u grafit. Drugim riječima, dijamant je metastabilna modifikacija ugljika pri nižim, a grafit pri višim tlakovima.
Tako je bilo sve do kraja ove godine, sve dok nisu izašla dva znanstvena rada dvojice znanstvenika (Jagdish Narayan i Anagh Bhaumik) s Državnog Sveučilišta Sjeverne Karoline (North Carolina State University). U njima su opisali nastajanje nove, dotad nepoznate alotropske modifikacije ugljika. Novu su tvar opisali kao "amorfnu metastabilnu fazu ugljika", a to znači da, prvo, nije riječ o kristalu, a - drugo - da nova faza lako prelazi u neku drugu fazu (oblik) ugljika. U koju? U fazu dijamanta - i to pri običnom, atmosferskom tlaku!
Obasjavajući tanke slojeve ugljika (50 - 500 nm) nanesene na podlogu od safira kratkim pulsevima laserske zrake (oko 20 ns) zagrijali su uzorak na temperaturu od 4000 K (1000 K niže od tališta grafita) i pritom dobili nešto sasvim novo. To su "novo" nazvali Q-ugljik (Q-carbon), prema engleskoj riječi quenching (hlađenje).
Čudna je to tvar. U talini svaki atom ugljika postoji više-manje sam za sebe. U kristalnoj rešetki dijamanta svaki je pak atom ugljika okružen sa četiri susjedna atoma (tzv.sp3 hibrid), dok u kristalnoj rešetki grafita ugljikovi atomi grade slojeve, slične mreži sa šesterokutnim očicama (poput one na nogometnom golu), pri čemu je svaki ugljikov atom, razumije se, okružen sa tri susjeda (sp2 hibrid). No kako izgleda struktura nove, amorfne modifikacije ugljika, Q-ugljika?
U njemu 75 - 85% atoma ima konfiguraciju sp3, kao u dijamantu. Znači li to da je Q-ugljik zapravo amorfni dijamant? Moglo bi se i tako reći, jer - čini se - Q-ugljik tvrdoćom nadmašuje i sam dijamant, i to za oko 60%!
Nije to jedino neobično svojstvo novog materijala. On je i feromagnetičan, a to znači da se može namagnetizirati i razmagnetizirati poput željeza. Iz njega se mogu - već smo rekli - pri običnom tlaku dobiti dijamanti, no u tome otkrivači nove modifikacije ugljika nisu bili sasvim uspješni.
U najboljem su slučaju uspjeli dobiti dijamante od pola tisućinke milimetra (500 - 600 nm), no ipak i pet puta duže "iglice" od 2-3 mikrometra.
Unatoč tome sasvim je izgledan razvoj nove tehnologije proizvodnje dijamanata, jer treba imati na umu da je njihov pokus prekratko trajao da bi dijamanti mogli narasti do primjerene veličine. No tu se ne završavaju mogućnosti tehnološke primjene "amorfnog dijamanta". Ono što mi golica maštu jest činjenica da je Q-ugljik sličan staklu, a opet tvrđi od dijamanta. To ga čini materijalom snova za izradu kliznih ležajeva, ležajeva koji se naprosto ne bi mogli izlizati. No to nije sve!
Vratimo se prvoj rečenici iz ovoga članka: "Dijamanti su nastali duboko u unutrašnjosti Zemlje kristalizacijom iz rastaljenog ugljika pri vrlo visokom tlaku." Otkriće Q-ugljika baca sasvim novo svjetlo na te procese. Dijamanti možda nisu nastali iz ugljikove taline, nego iz Q-ugljika pri mnogo nižim temperaturama, a o tlaku da i ne govorimo. Činjenica da je Q-ugljik feromagnetičan objašnjava na nov način porijeklo Zemljinog magnetskog polja, a još više magnetskog polja drugih planeta, Urana i Neptuna. Do sada se magnetsko polje planeta tumačilo postojanjem željezne jezgre u njihovom središtu. Možda je ipak u igri jezgra od ugljika, naravno Q-ugljika.
- Dr. Nenad Raos, po struci kemičar, znanstveni je savjetnik u trajnome zvanju na zagrebačkom Institutu za medicinska istraživanja i medicinu rada. Intenzivno se bavi popularizacijom znanosti: autor je 13 znanstveno-popularnih knjiga, 7 izložbi u zagrebačkom Tehničkom muzeju te mnogo stotina članaka po časopisima. Dobitnik je Nagrade za znanstveni rad u području prirodnih znanosti HAZU-a (1996.) i Državne godišnje nagrade za promidžbu i popularizaciju znanosti (2003.).
Komentari čitatelja
na naše novosti