کربن به عنوان یکی از جذاب ترین عناصر در طبیعت مطرح می باشد و اتم های کربن در ساخت ترکیبات مهم شیمیایی بسیاری شرکت داشته و پایه و اساس فناوری های مختلفی هستند. این اتم ها علاوه بر ترکیب شدن با عناصر دیگر، می توانند با اتم های کربن نیز پیوند دهند. اتم های کربن از نظر ترتیب پر شدن اوربیتال ها، دارای ساختار الکترونی 2 s² 2p² 1s² هستند. بنابراین چهار اکترون آزاد دارند که امکان تشکیل چهار پیوند را برای این اتم ها مهیا می سازد. پیوند هایی که این اتم ها تشکیل می دهند، در ترکیبات گوناگون به شکل های متفاوتی وجود داشته و خواص متفاوتی را نیز ایجاد می کند.
این اتم ها در ساختار الماس چهار پیوند یگانه ی کووالانس ایجاد می کنند. یعنی هر اتم کربن با چهار اتم کربن دیگر پیوند می دهد. بنابراین از تمام چهار ظرفیت خود برای تشکیل پیوند استفاده کرده است.
کربن در چندین فرم مختلف می تواند وجود داشته باشد. ساده ترین فرم کربن گرافیت است که متشکل از لایه های کربن با ساختاری شش وجهی به هم چسبیده می باشد و تحت فشار بالا الماس شکل می گیرد که شکل ناپایدار کربن است.
شکل جدید کربن که به صورت ملکولی است؛ فلورن نامیده می شود و معمولاً با عنوان C60 خوانده می شود و 60 اتم کربن را در بردارد و مثل یک توپ از 20 شش وجهی که سطح آن می تواند به شکل یک کره در بیاید، ساخته شده است. به اکتشاف فلورن، جایزه نوبل شیمی در سال 1996 اهدا شده است.
در ساختار گرافیت، نانو لوله و فلورن پیوند های یگانه ای بین اتم های کربن وجود دارد. با این تفاوت که هر اتم تنها با 3 اتم دیگر پیوند می دهد و در نتیجه سه پیوند یگانه کوالانسی دارد. در این ساختار ها اتم کربن یکی از ظرفیت های خود را مصرف نمی کند. این ظرفیت خالی که در واقع یک الکترون اضافی است. به شکل یک پیوند آزاد در خارج از صفحه ای که دیگر اتم ها در آن قرار دارند، قرار می گیرد، این پیوند آزاد یا معلق می تواند در شرایطی با گروه های عاملی یا دیگر اتم های رادیکالی موجود در محیط پیوند دهد.
اکنون به خوبی شناخته شده است که گرافیت از ورقه های شش وجهی کربنی که روی یکدیگر به هم چسبیده می شوند، تشکیل شده است. اما این باور وجود دارد که تک ورق نمی توانست در شکل جدا شده تولید شود طوری که در اکتبر 2004 کنستانتین نووسلوف و آندره جیم و همکارانشان نشان دادند یک لایه می تواند جدا شود و به شکل دیگری تبدیل شود و ویژگی های الکتریکی برخی لایه ها قابل تعیین شدن است، یک شگفتی در جامعه فیزیک به وجود آمد. در جولای 2005 آنها اندازه گیری های الکتریکی روی یک تک لایه را منتشر کردند. در واقع تک لایه ورق کربن گرافن نامیده می شود.
جالب است بدانیم هر کسی که یک مداد معمولی را استفاده کرده باشد، ساختاری شبه گرافنی را بدون شناختن آن تولید کرده است. یک مداد سیاه، از گرافیت تشکیل شده و وقتی که روی یک قطعه کاغذ جا به جا می شود، گرافیت به لایه های نازک تقسیم می شود طوری که روی کاغذ، متن یا تصویری که قصد ایجاد آن را داریم می سازد. جزء کوچکی از این لایه های نازک فقط لایه های کمی یا حتی یک تک لایه گرافیت، یعنی گرافن را در بردارد.
به عبارتی مشکل اصلی ایجاد ساختارهای گرافنی نبود بلکه جدا کردن تک ورقه های به اندازه کافی بزرگ جهت تعیین مشخصات گرافن و تحقیق کردن در مورد ویژگی های دو بعدی منحصر به فرد آن، کار بسیار صعبی می نمود. این چیزی است که جیم و نووسلوف و همکارانشان موفق به انجام آن شدند. شکل دیگر کربن، مدل یک بعدی آن است که نانو لوله های کربن نامیده می شوند. لازم به ذکر است که نانولوله های تک دیواره از سال 1993 وارد دنیای مواد شده اند. این نانولوله ها از ورقه های گرافنی که رول شده اند، تشکیل شده اند و انتهای آنها مانند فلورن ها نیم کروی هستند و در پوش دارند. خواص الکترونیکی و مکانیکی نانو لوله های تک دیواره فلزی تشابه زیادی با گرافن دارند.
منبع: موسسه کامپوزیت ایران - نشریه کامپوزیت
این اتم ها در ساختار الماس چهار پیوند یگانه ی کووالانس ایجاد می کنند. یعنی هر اتم کربن با چهار اتم کربن دیگر پیوند می دهد. بنابراین از تمام چهار ظرفیت خود برای تشکیل پیوند استفاده کرده است.
کربن در چندین فرم مختلف می تواند وجود داشته باشد. ساده ترین فرم کربن گرافیت است که متشکل از لایه های کربن با ساختاری شش وجهی به هم چسبیده می باشد و تحت فشار بالا الماس شکل می گیرد که شکل ناپایدار کربن است.
شکل جدید کربن که به صورت ملکولی است؛ فلورن نامیده می شود و معمولاً با عنوان C60 خوانده می شود و 60 اتم کربن را در بردارد و مثل یک توپ از 20 شش وجهی که سطح آن می تواند به شکل یک کره در بیاید، ساخته شده است. به اکتشاف فلورن، جایزه نوبل شیمی در سال 1996 اهدا شده است.
در ساختار گرافیت، نانو لوله و فلورن پیوند های یگانه ای بین اتم های کربن وجود دارد. با این تفاوت که هر اتم تنها با 3 اتم دیگر پیوند می دهد و در نتیجه سه پیوند یگانه کوالانسی دارد. در این ساختار ها اتم کربن یکی از ظرفیت های خود را مصرف نمی کند. این ظرفیت خالی که در واقع یک الکترون اضافی است. به شکل یک پیوند آزاد در خارج از صفحه ای که دیگر اتم ها در آن قرار دارند، قرار می گیرد، این پیوند آزاد یا معلق می تواند در شرایطی با گروه های عاملی یا دیگر اتم های رادیکالی موجود در محیط پیوند دهد.
اکنون به خوبی شناخته شده است که گرافیت از ورقه های شش وجهی کربنی که روی یکدیگر به هم چسبیده می شوند، تشکیل شده است. اما این باور وجود دارد که تک ورق نمی توانست در شکل جدا شده تولید شود طوری که در اکتبر 2004 کنستانتین نووسلوف و آندره جیم و همکارانشان نشان دادند یک لایه می تواند جدا شود و به شکل دیگری تبدیل شود و ویژگی های الکتریکی برخی لایه ها قابل تعیین شدن است، یک شگفتی در جامعه فیزیک به وجود آمد. در جولای 2005 آنها اندازه گیری های الکتریکی روی یک تک لایه را منتشر کردند. در واقع تک لایه ورق کربن گرافن نامیده می شود.
جالب است بدانیم هر کسی که یک مداد معمولی را استفاده کرده باشد، ساختاری شبه گرافنی را بدون شناختن آن تولید کرده است. یک مداد سیاه، از گرافیت تشکیل شده و وقتی که روی یک قطعه کاغذ جا به جا می شود، گرافیت به لایه های نازک تقسیم می شود طوری که روی کاغذ، متن یا تصویری که قصد ایجاد آن را داریم می سازد. جزء کوچکی از این لایه های نازک فقط لایه های کمی یا حتی یک تک لایه گرافیت، یعنی گرافن را در بردارد.
به عبارتی مشکل اصلی ایجاد ساختارهای گرافنی نبود بلکه جدا کردن تک ورقه های به اندازه کافی بزرگ جهت تعیین مشخصات گرافن و تحقیق کردن در مورد ویژگی های دو بعدی منحصر به فرد آن، کار بسیار صعبی می نمود. این چیزی است که جیم و نووسلوف و همکارانشان موفق به انجام آن شدند. شکل دیگر کربن، مدل یک بعدی آن است که نانو لوله های کربن نامیده می شوند. لازم به ذکر است که نانولوله های تک دیواره از سال 1993 وارد دنیای مواد شده اند. این نانولوله ها از ورقه های گرافنی که رول شده اند، تشکیل شده اند و انتهای آنها مانند فلورن ها نیم کروی هستند و در پوش دارند. خواص الکترونیکی و مکانیکی نانو لوله های تک دیواره فلزی تشابه زیادی با گرافن دارند.
منبع: موسسه کامپوزیت ایران - نشریه کامپوزیت
