14. októbra 2019
Nanodiamanty

Pri horení sviečky vznikajú (nano)diamanty

Uhlík je základom života (minimálne) na Zemi. Jeho väzby sú tak akurát silné, aby boli za bežných podmienok stabilné, no v prípade potreby sa dali rozbiť. Tvorí 4 väzby a funguje ako dokonalá Lego kocka, môžete tvoriť dlhé uhlíkové retiazky či plochy, vzájomne ich prepájať a spevňovať. Zároveň sa uhlík rád spája s ostatnými molekulami a tak je opornou kostrou organickej chémie.

Určite poznáte aspoň dva príklady uhlíka: grafit a diamant. Je to dokonalý príklad, kedy ten istý atóm usporiadaný iným spôsobom vedie k úplne odlišným vlastnostiam. Existujú aj ďalšie formy uhlíka: fulerén (niečo ako atómové futbalové lopty) a amorfný uhlík.

(Grafit je tvorený z vrstiev grafénu, ktoré držia iba slabými, van der Waalsovými, väzbami. Keď píšete ceruzkou, tak sa tieto vrstvy zošmyknú a zachytia na papieri. Práve za izolovanie jednej vrstvy grafénu bola pred pár rokmi udelená Nobelova cena. Grafén je vlastne plocha, resp. šesť-uholníková sieťka, tvorená uhlíkmi. Ide o extrémne zaujímavý materiál, jeho výskumu sa dnes venujú mnohé skupiny, hľadajú jeho využitie pri tvorbe extrémne pevných materiálov či účinnejších solárnych článkov. Keď zoberiete grafén a zrolujete ho, dostanete uhlíkovú nanotrúbku, ktorá má uplatnenie vo farmácii, medicíne či elektrotechnike).

Pri horení sviečky sa bežne spaľuje uhľovodík C31H64 (dlhá retiazka pozostávajúca z 31 atómov uhlíka a 64 atómov vodíka). Výsledok spaľovania je oxid uhličitý a trochu splodín, no dlho nebolo jasné, v akej forme existuje uhlík počas horenia. Plameň totiž dosahuje teploty cez 1400 ˚C a to, čo sa týka chémia, otvára mnohé možnosti.

Na celú vec si v roku 2011 posvietil prof. Wuzong Zhou, ktorému sa podarilo nanočastice uhlíka z plameňa izolovať a identifikovať. Potvrdil, že v plameni sa nachádza uhlík vo všetkých svojich prirodzených formách.

Pri horení sviečok tak vznikajú milióny nanodiamantov – ktoré následne zhoria a vytvoria oxid uhličitý. Keď sa v roku 1860 pýtal Michael Faraday: ‚‚Aký diamant žiari tak, ako oheň?‘‘ bol by týmto zistením stopercentne zaskočený!

[Samuel a Lukáš]

PS: Stabilná štruktúra materiálu je taká, v ktorej je v chemických väzbách uložené minimum energie. Stabilná štruktúra uhlíka je grafit – áno, tá mäkká tuha z ceruziek. Tvrdý dokonalý diamant je len metastabilný. To znamená, že síce je menej stabilný ako grafit (teda pri pri premene diamantu na grafit sa uvoľní prebytočná energia), ale je stabilnejší ako štruktúry, ktoré získame malým poposúvaním atómov uhlíka v diamante. Premena diamantu na grafit si vyžaduje výrazné poposúvanie atómov.

Na to, aby sa toto výrazné poposúvanie uskutočnilo musíme najskôr diamantu nejakú energiu dodať. Pekná ilustrácia je guľôčka v dvoch jamkách – hlbšia jamka zodpovedá grafitu, plytšia diamantu, guľôčka je v stabilnej polohe – nemá kam spadnúť v oboch jamkách. Aby sa guľôčka dostala z diamantovej jamky do grafitovej, musí prekonať bariéru medzi nimi.

Ak necháme systému dostatok času, z dôvodu teplotných fluktuácií sa systém dostane do stabilného stavu. Z toho vyplýva, že diamant v hrude zhnije (Sládkovič), resp. diamanty nie sú večné (Flemming). Ale! Čas, za ktorý táto premena prebehne, závisí od veľkosti bariéry, ktorá je pre diamant a grafit veľká (a ešte od teploty). Samovoľná premena diamantu na grafit pri izbovej teplote by trvala oveľa, oveľa, oveľa dlhšie, než vek vesmíru.

Takže síce Sládkovič a Flemming nehovorili celú pravdu, ich aproximácia je určite opodstatnená (a vy sa nemusíte obávať, že sa vaše šperky, investičné alebo technické diamanty zmenia na tuhu).

PS2: Ďakujeme za zdieľanie!

PS3: Ak sa vám tento príspevok páčil, môžete Vedátora podporiť cez patreona https://patreon.com/Vedator_sk alebo priamo cez https://vedator.space/podporte-nas/

– – –

https://phys.org/…/2011-08-candle-flames-millions-tiny-diam…

https://en.wikipedia.org/wiki/Candle

https://en.wikipedia.org/wiki/Allotropes_of_carbon

https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_nanotube#Applications

https://www.hindawi.com/journals/bmri/2013/578290

https://chemistry.stackexchange.com/…/are-diamonds-really-f…

Pálenie diamantu:
https://www.youtube.com/watch?v=1QbHRLpYc-0

Pridaj komentár