Стереометрия аллотропии углерода

Атомы углерода могут объединяться между собой в разных комбинациях, и каждый вид объединений дает свою оригинальную аллотропическую модификацию. Соединения осуществляются в основном петлями, но могут быть и соединения атомов с помощью желобов.

Для того, чтобы атомы углерода начали соединяться между собой петлями, последние необходимо предварительно раскрыть. Осуществить это можно различными способами: тепловым воздействием, давлением, жесткими волнами эфира, с помощью катализаторов или комбинацией этих факторов. Наиболее распространенную аллотропическую модификацию углерода — графит можно получить, например, путем нагревания антрацита без доступа воздуха. Рассмотрим этот процесс более подробно.

Одиночный атом углерода, как мы отмечали, представляет собой дважды сложенное кольцо: сначала исходный тор сплющивается в овал, то есть растягивается, а потом складывается еще раз; полученная конфигурация напоминает фигуру шва теннисного мяча. Если вдвое сложенный замкнутый шнур атома углерода растянуть, то на концах образуются парные петли. (Напомним, что радиусы этих петель равны 285 шарикам.) Полученная форма одиночного атома — не окончательная: одна из пар петель окажется сложенной отталкивающими сторонами — такого быть не может, и эти петли постараются как-нибудь вывернуться, чтобы вновь соединиться, но уже обратными присасывающими сторонами. Длина сложенного атома углерода позволяет это сделать, и петли развернутся и сложатся, но при этом спаренные шнуры, то есть желоба, будут выкручены. Очевидно, такая форма одиночного атома углерода не очень устойчива, так как в ней присутствует противоборство желобов и петель: выкрученные желоба хотели бы выпрямиться в ущерб слипшимся петлям, а те, в свою очередь, будут всеми своими силами сохранять свое слипание.

Частичное разрешение противостояния желобов и петель может произойти даже при самом незначительном нагреве или даже без него — в нормальных условиях: если два атома случайно столкнутся между собой вывернутыми петлями, то эти петли могут раскрыться (как ладони) и состыковаться, образовав таким образом молекулу. Можно даже предположить, что в антраците углерод находится именно в таком молекулярном состоянии.

При более высоком нагреве молекулы углерода из двойных атомов соединяются в графит. При случайном столкновении двух молекул своими концами их петли могут раскрыться и соединиться перекрестно, то есть к присасывающей стороне петли одной молекулы может прилипнуть присасывающей стороной петля другой молекулы. Такое соединение первых двух молекул между собой можно считать началом роста кристалла графита. В перекрестном соединении двух молекул слипшимися оказываются только их две петли, а две другие оказываются раскрытыми. Они будут искать себе пары, и при случайном столкновении с другими молекулами раскроют их концевые петли и выберут себе по одной из них, образовав таким образом следующие межмолекулярные связи. Подобные подсоединения будут происходить и в продольном и в поперечном направлениях до тех пор, пока будут находиться очередные свободные молекулы углерода и пока их тепловые движения позволят это делать. Возникающий кристалл графита будет плоским, так как петли всех соединившихся молекул имеют параллельную ориентацию.

После прекращения роста кристалла процесс его формирования продолжится: должна решится судьба оставшихся открытыми петель, располагающихся по бокам кристалла (на концах кристалла они замкнуты). Раскрытые боковые петли соседних атомов, тех, что образовали в самом начале молекулы, устремятся навстречу друг другу, столкнутся своими вершинами и, слипаясь, загнутся вовнутрь, напоминая тем самым образование атомов лития и бериллия.

Возникшие кристаллы графита будут иметь, как принято говорить, формы чешуек, то есть будут плоскими. Если же уточнять, то их формы больше будут напоминать вытянутые пластины с анизотропными свойствами, чем гексогональные изотропные чешуйки. Кристалл графита имеет возможность в любое время продолжить свой рост; но для того, чтобы расти ему в ширину, нужно разорвать только что слипшиеся «в сердечко» петли соседних атомов, а это сделать уже не легко.

Пластины графита могут собираться в стопки, присасываясь одна к другой желобами, и даже не ими, а отдельными их точками — выступающими боковушками петель. Эти соединения непрочны, и поэтому карандаш можно чинить простым ножом. В то же время разорвать отдельный кристалл графита практически невозможно: настолько крепки его петлевые соединения. Они противостоят даже химическому воздействию; поэтому графит — достаточно инертное вещество. Его химическая стойкость, механическая прочность и тонко пластинчатая структура делают его хорошей смазкой трущихся поверхностей при большом удельном давлении.

Черный цвет графита объясняется тем, что прямые участки шнуров его атомов настолько длинные, что могут «звучать» только на низких инфракрасных частотах. Понятна также радиационная стойкость графита: его атомы не имеют опасных изгибов, готовых привести к излому упругих шнуров при жестких ударах радиации. И еще — об электропроводности графита: у его атомов все присасывающие желоба почти полностью открыты, не имеют пересечений и удобно соединяются между собой петлями, — и все это способствует тому, что электроны могут свободно перемещаться по кристаллам графита. Некоторое сопротивление они испытывают только на стыках петель. Но на боковых сторонах кристаллов, где присасывающие желоба образуют «сердечки» как у атомов металлов, сопротивление движению электронов почти полностью отсутствует. В толстом слое графита электроны имеют возможность, перескакивая с одной цепочки атомов на другую, избегать петлевых стыков и поэтому испытывают меньшее сопротивление своему движению.

Не избежать электронам петлевых стыков только в том случае, если кристаллы графита будут представлять собой отдельные нити. Выше мы отмечали, что кристалл графита анизотропен: его структуры в продольном направлении и в поперечном — различные, и обусловлено это тем, что продольное наращивание кристалла требует одних физических условий, а поперечное — других. При наличии и тех и других кристалл растет и в длину и в ширину; но если в действительности окажутся только первые условия и не будут соблюдены вторые, то кристаллы начнут вытягиваться в нити; появится новая аллотропическая модификация углерода — карбин. О нем можно сказать так: идеальный кристалл карбина представляет собой тот же кристалл графита, но с шириной в один атом.

Карбин относится к линейным полимерам углерода. Его отличительной особенностью является то, что сплетенный из его непрерывных нитей в сотни раз прочнее остальных, и поэтому нити карбина используют для армирования сверхпрочных композиционных материалов. Другой особенностью этих нитей является то, что их электропроводность значительно ниже, чем у графита (с этого мы начали разговор о нем). Правда, обнаружено, что под воздействием света электрическое (электронное) сопротивление карбина резко снижается; и в этом проявляются его полупроводниковые свойства: короткие, но жесткие волны света подталкивают электроны и помогают им преодолевать неудобные переходы в петлевых соединениях.

Но самой, пожалуй, интересной (точнее — привлекательной) аллотропической модификацией углерода является пространственный полимер — алмаз. Кристалл алмаза выращивается при сочетании определенных условий, основными из которых являются давление в 60 000 атмосфер и температура в интервале 1 600 … 2 000 градусов Цельсия. Главным из этих факторов является давление, а температура в основном определяет скорость роста.

В формировании кристалла алмаза принимают участие одиночные атомы углерода (в графите они — парные) с нормальной взаимоперпендикулярной ориентацией петель на противоположных концах, при этом у одной пары петель атома присасывающие стороны располагаются снаружи, а у другой — изнутри., так что шнуры стволов атомов — не выкрученные, а нормальные. Петли атома расходятся от ствола веером с максимальным углом между ними в 90 градусов. Конечно, в свободном состоянии атомы углерода такими быть не могут. Поэтому можно предположить, что кристаллы алмаза выращиваются не из чистого углерода, а из связанного, например из углеводорода, в частности из метана: в нем атом углерода имеет самые подходящие формы для подсоединения к кристаллу.

Кристалл алмаза представляет собой трехмерную ортогональную конструкцию без косых, диагональных связей. Особенностью кристалла является то, что узлы соединений атомов в нем — не пространственные, а плоские; трехмерность общей конструкции возникает вследствие того, что плоские двумерные узлы на концах каждого из атомов ориентированы перпендикулярно друг другу.

Рассмотрим устройство межатомного узла, имея в виду, что все узлы кристалла — абсолютно одинаковые. Он объединяет четыре атома; все они сходятся к нему по двум взаимно перпендикулярным прямым линиям. Петли одной пары атомов, лежащих на общей прямой, имеют внешние присасывающие стороны, а петли другой пары, располагающейся на перпендикулярной прямой, — внутренние. В узле петли вторых атомов охватывают петли первых, и они накрепко слипаются; прочность их соединения определяет прочность алмаза. Других соединений, например с помощью желобов, кристалл не имеет.

Завершенные узлы, объединяющие по четыре атома, располагаются внутри кристалла, а на его поверхности они — некомплектные; их доукомплектование и есть рост кристалла. Представим себе незавершенный узел, объединяющий только три атома углерода; у него слипшимися будут только две пары петель, а оставшиеся две петли от встречно расположенных атомов будут прикрыты атомами водорода. Также прикрытыми будут петли того атома углерода, который должен присоединиться к данному узлу. Учитывая то, что метан в сложившихся условиях рождения кристалла находится в предплазменном состоянии, когда атомы водорода еле-еле удерживаются на своих местах, присоединяемый атом углерода под воздействием давления отжимает атомы водорода и замыкает своими петлями освободившиеся петли узла; узел становится завершенным.

Не будет особых проблем и при доукомплектовке узла из двух атомов при дополнении его третьим, уже встроенным в кристалл и готовым к присоединению; этому третьему атому не остается ничего другого, как искать своим свободным концом возможности присоединения к некомплектному узлу, и он ее находит.

Труднее всего происходит зарождение нового узла; здесь возможны два варианта, один из которых кристаллу неприемлем; встает вопрос: как он избегает его? Неприемлемым является соединение петель однонаправленными сторонами, например наружной с наружной или внутренней с внутренней. Значит, если на свободном конце атома углерода — петли с внутренними присасывающими сторонами, то первое подсоединение к нему должно быть петель другого атома с внешними сторонами. Остается предположить, что в случае зарождения нового узла с неправильным подсоединением очередного атома (а таких случаев — половина от общего числа) не может возникнуть комбинация с встраиванием ее в кристалл, и она рано или поздно будет разрушена. И только при правильном зарождении узла атомы углерода, его образующие, встраиваются в кристалл, и там они чувствуют себя в безопасности.

Рост кристалла прекращается тогда, когда физические условия изменяются настолько, что не отвечают требованиям роста. Какие это условия? Мы их уже упоминали: во-первых, они должны создавать предплазменное состояние исходного материала; во-вторых, они должны разрушать неправильные комбинации атомов и, в-третьих, они должны быть бессильны разрушить правильно соединенные атомы. Получается так, что физические параметры условий роста кристалла алмаза должны укладываться в определенный интервал: не ниже и не выше. Если не будут выполняться эти требования, то и большого кристалла не будет. Особенно обращаем внимание на второе условие — на разрушение неправильных комбинаций; реализовать его в условиях производства искусственных алмазов можно простым механическим перетиранием кристаллов, дробящим неправильные из них, и не приносящим вреда полноценным.

После завершения роста кристалла алмаза все его поверхностные узлы будут недоукомплектованы; это означает, что он будет окружен «щетиной» из незамкнутых между собой петель атомов углерода. В естественных условиях петли притягивают к себе любой окружающий мусор и делают алмаз невзрачным. При огранке мусор удаляется и замещается прозрачным веществом. Если очищенный кристалл ничем не покрыть, то он скоро снова обрастает мусором.

Предложенная модель кристалла хорошо согласуется с физическими характеристиками алмаза. Его твердость выражается в том, что он не способен пластически деформироваться и противостоит механическому разрушению. Объясняется это тем, что атомы углерода в кристалле не имеют возможности изменять свое положение (они соединены петлями, а не желобами), связаны между собой перекрестными пространственными связями и связи эти образуются полноценными петлевыми соединениями. К этому следует еще добавить то, что кристалл алмаза не имеет дислокаций и инородных включений, за исключением, может быть, атомов бора. Последние, если их размеры близки к размерам атомов углерода, не только не ослабляют кристалл, но, напротив, упрочняют его. Разные длины атомов (у углерода, как мы знаем, они — тоже разные) делают всю конструкцию кристалла очень жесткой, противостоящей, в частности, косому сдвигу; поэтому алмаз не имеет даже упругих деформаций.

Прозрачность алмаза выражается в том, что его кристаллы имеют сквозные прямолинейные щели, сквозь которые волны эфира (света) проникают без препятствий; к тому же, на самой поверхности кристалла плотность атомов (их шнуров) не очень большая, и поэтому они не отражают свет. В то же время правильная внутренняя структура алмаза позволяет ему собирать свет и направлять его концентрированными пучками в определенных направлениях.

Стволы атомов углерода, то есть их прямые участки, в кристалле алмаза — очень короткие, так как большая часть их длины уходит на отогнутые концевые петли, поэтому если и «звучат» эти прямые участки, то только на высоких (голубых и далее) частотах.

С точки зрения электропроводности алмаз, как известно, — полупроводник: в пределах одного атома электроны движутся вдоль его присасывающих желобов, но при переходе на соседний атом они должны сначала перескочить на желоб, образованный слипшимися петлями, а затем уже с них — на присасывающий желоб другого атома; указанные перескакивания и определяют электрическое сопротивление. Перескакивания могут быть облегчены воздействием внешних факторов: жесткого света, повышенной температуры и прочих, — и это определяет полупроводниковые свойства алмаза.