De diamant is een fascinerend materiaal, tot op zekere hoogte "de koning der kristallen". Het is niet alleen de duurste edelsteen en het hardste bekende materiaal, maar het maakt ook deel uit van een familie van kristallijne structuren die uitsluitend worden gevormd door koolstofatomen en met eigenschappen die net zo verbazingwekkend en waardevol zijn als de diamant zelf. Deze familie van polymorfen - kristallen met dezelfde chemische samenstelling maar met verschillende structuren - omvat grafiet en ook de fullerenen, koolstofnanobuizen en grafeen. Het zijn allemaal verschillende vormen van het ordenen van koolstofatomen, en sommige kunnen een zeer belangrijke rol spelen in de geschiedenis van de mensheid.
Weet je wat de relatie is tussen de verschillende koolstofpolymorfen? Heb je je ooit afgevraagd hoe de kwaliteit van een diamant wordt beoordeeld? Wist u dat een tweedimensionale vierkante meter grafeenplaat in staat is om vier kilogram aan gewicht te dragen?
Het belang van de kristallijne structuur van een verbinding is cruciaal voor de eigenschappen ervan en er is niets beter dan diamant en grafiet om dit aan te tonen. Beide zijn stukken koolstof - dat wil zeggen, ze worden allebei gevormd door koolstofatomen. Het ene is echter een goedkoop materiaal dat we onder andere gebruiken voor het tekenen: grafiet is het materiaal dat tegenwoordig het lood van onze potloden is. Terwijl diamant het meest gewaardeerde, onbreekbare materiaal is volgens de etymologie van zijn naam - adámas - het hardste bekende materiaal, het mineraal dat geen ander in staat is om te krabben.
Foto van briljant geslepen diamant
Foto: Mario Sarto
Evocatief beeld van de kristallografie van een potlood. Uit het "lood" worden andere potloden geboren die lijken op zeshoekige grafietkristallen.
Foto: Christopher White
Het verschil tussen diamant en grafiet is de structuur, en dus in de vorm waarin de koolstofatomen gebonden zijn. In de diamant is deze structuur uiterst compact. Voor kristallografen behoort het tot het kubische systeem. In deze structuur zijn alle koolstofatomen met elkaar verbonden door sterke covalente bindingen, waardoor het een zeer hard materiaal is, het hardste dat bekend is.
Kubische structuur van diamant waarin alle koolstofatomen met elkaar verbonden zijn door sterke covalente bindingen.
De structuur van grafiet is heel anders dan die van diamant. In grafiet zijn de koolstofatomen in lagen verdeeld. Binnen elke laag is elk koolstofatoom verbonden met een andere drie, waardoor er zeshoeken ontstaan. Deze drie bindingen zijn sterke covalente bindingen van hetzelfde type als die van de structuur van diamant. Maar tussen elke laag zijn de koolstofatomen zwakker gebonden, door de zogenaamde Van der Waalskrachten.
Lamellaire structuur van grafiet. De atomen in de lagen zijn met elkaar verbonden door sterke covalente bindingen, maar de krachten die de koolstofatomen tussen de lagen verbinden zijn zwakke Van der Waals krachten.
Deze structuur is ideaal voor het begrijpen van het begrip anisotropie in kristallen - met andere woorden, de variatie van de eigenschappen van het kristal met de richting waarin het wordt gemeten. De samenhang van de atomen in een van de richtingen die in de zeshoeken liggen is buitengewoon, waardoor het erg moeilijk is om ze van elkaar te scheiden. Maar de samenhang tussen de lagen, dat wil zeggen, in elke richting buiten de zeshoekige lagen, is veel zwakker. De lagen scheiden heel gemakkelijk, zozeer zelfs dat als we druk uitoefenen met een grafietkristal op papier, de lagen zich scheiden en aan het papier blijven kleven. Dit is het grafietpotlood.
Naast grafiet en diamant kunnen koolstofatomen ook andere structuren vormen die van groot wetenschappelijk en technologisch belang zijn. Enkele jaren geleden speelden twee Russische onderzoekers, Andre Geim en Konstantin Novoselov, met het scheiden van de zeshoekige vellen grafiet met plakband. Ze wilden zien of ze erin slaagden om slechts één vel te scheiden. Met geduld slaagden ze daarin, en ze gaven het de naam grafeen. Deze lagen hexagonaal verdeelde koolstofatomen hebben verrassende eigenschappen en deze zijn de focus van veel verwachting voor toekomstige technologieën.
De ontdekking van grafeen heeft de onderzoekers de Nobelprijs opgeleverd. Als u meer wilt weten over grafeen, raden wij u de website van het Nobelcomité aan, waar u zowel basis- als geavanceerde informatie over grafeen vindt.
Je zou kunnen zeggen dat grafeen een tweedimensionale diamant is. Met andere woorden, het is een ultrafijn materiaal met de eigenschappen van diamant: extreem hard, een betere elektrische geleider dan koper, betere warmtegeleider dan enig ander materiaal, zo dicht dat er geen gas doorheen kan, en het is ook flexibel.
Model van de structuur van grafeen.
Andere interessante structuren die koolstofatomen vormen zijn fullerenen en nanobuizen.
SYNTHETISCH DIAMANT
Diamant is het juweel dat het best bestand is tegen synthese, maar hoe dat moet is al sinds de tweede helft van de vorige eeuw bekend. In het begin werden methoden van zeer hoge druk gebruikt, maar vandaag de dag zijn dat methoden die hoge temperaturen, een bepaalde druk en het gebruik van een zaadje waarop de groei wordt gestart met behulp van koolstof opgelost in een vloeimiddel. Als u wilt weten hoe synthetische diamanten in de Verenigde Staten worden vervaardigd, raden wij u de volgende video aan:
Hoewel wanneer er over diamanten wordt gesproken, denkt iedereen aan de enorm dure juwelen, hebben diamantkristallen vele andere toepassingen, zoals schuurmiddelen, en voor snijgereedschappen. De meeste synthetische diamanten zijn zeer klein en worden gebruikt in de industrie. Maar recentelijk zijn er diamanten van juweelkwaliteit van verschillende karaten in grootte geproduceerd, voor gebruik in juwelen. De techniek is vooral in Rusland ontwikkeld, in het technologische gebied van Novosibirsk, maar het is al zeer wijdverbreid.
Hoewel het misschien ongelofelijk lijkt, kunnen diamanten industrieel worden - en worden - geproduceerd onder atmosferische druk. De ontdekkers van de methode, enkele Russische wetenschappers, werden beschouwd als dromers, omdat men geloofde dat het alleen mogelijk was om diamanten te maken bij hoge temperaturen en druk. Maar ze hadden gelijk, en vandaag de dag worden diamanten gemaakt van methaan met behulp van microgolven die een atmosfeer van waterstofplasma creëren. In werkelijkheid wordt er weinig diamant geproduceerd en veel grafiet, maar de waterstof lost het grafiet op en laat een paar honderd micron dikke films achter. Deze films worden gebruikt bij het maken van luidsprekers, in coatings voor het bedekken van supermaterialen met een chemische en mechanisch bestendige laag. Diamant is een uitstekende warmtegeleider, vandaar de poging om halfgeleiderdiamanten te maken als alternatief voor silicium.
WIST U DAT...
De kleuren van veel edelstenen zijn niet te wijten aan pigmentatie, maar aan het bestaan van defecten in de kristallijne structuur, die kleurcentra worden genoemd.
De kwaliteit (en dus de prijs) van een diamant is afhankelijk van de "vier C's". Dit zijn Karaat (gewicht), Helderheid (transparantie), Geslepenheid (grootte) en Kleur. Deze vier eigenschappen die de waarde van een diamant bepalen zijn allemaal afhankelijk van de kristallografie van de diamant. Voor meer informatie zie deze website.
Grafisch materiaal is een van de meest veelbelovende materialen van de toekomst. Het is 200 keer resistenter dan staal, geleidt warmte en elektriciteit beter dan silicium en is niet breekbaar zoals silicium.
Momenteel is de prijs van grafeen zeer hoog. Een vierkante centimeter kost ongeveer 8 euro. Voordat we technologische producten voor algemeen gebruik op basis van grafeen zien, zal deze prijs aanzienlijk moeten dalen, tot minstens 10 cent per vierkante centimeter.
karaf, whiskykaraf, whiskey karaf, kristallen karaf, wijnkaraffen, wijnkaraf, kristal karaf, decanteer karaf, whiskey karaf kristal, kristal karaf, glazen karaf, karaf graveren, champagneglazen, whisky glazen, whiskey glazen.
