Carbonio amorfo: tipi, proprietà e usi

Il carbonio amorfo è tutto quel carbonio allotropico con strutture piene di difetti molecolari e irregolarità. Il termine allotropo si riferisce al fatto che un singolo elemento chimico, come l'atomo di carbonio, forma diverse strutture molecolari; alcuni cristallini, e altri, come in questo caso, amorfi.

Il carbonio amorfo manca della struttura cristallina a lungo raggio che caratterizza il diamante e la grafite. Ciò significa che il modello strutturale rimane leggermente costante se si visualizzano regioni del solido molto vicine tra loro; e quando sono distanti, le loro differenze diventano evidenti.

Le caratteristiche o proprietà fisiche e chimiche del carbonio amorfo sono anche diverse da quelle della grafite e del diamante. Ad esempio, abbiamo il famoso carbone di legna, un prodotto della combustione del legno (immagine in alto). Questo non è lubrificante, e non è lucido neanche.

Esistono diversi tipi di carbonio amorfo in natura e queste varietà possono anche essere ottenute sinteticamente. Tra le varie forme di carbonio amorfo sono il nerofumo, il carbone attivo, la fuliggine e il carbone.

Il carbonio amorfo ha usi importanti a livello dell'industria energetica, così come nel settore tessile e sanitario.

Tipi di carbonio amorfi

Esistono diversi criteri per classificarli, come la loro origine, composizione e struttura. Quest'ultimo dipende dalla relazione tra i carboni con ibridazioni sp2 e sp3; cioè, quelli che definiscono rispettivamente un piano o un tetraedro. Pertanto, la matrice inorganica (mineralogica) di questi solidi può diventare molto complessa.

Secondo la sua origine

Esiste carbonio amorfo di origine naturale, perché è un prodotto di ossidazione e forme di decomposizione di composti organici. Tra questo tipo di carbonio sono la fuliggine, il carbonio e il carbonio derivati ​​dai carburi.

Il carbonio amorfo sintetico viene prodotto mediante deposizione catodica ad arco e tecniche di sputtering catodico. In via sintetica si producono anche film di carbonio amorfo o carbonio amorfo.

struttura

Anche il carbonio amorfo può essere raggruppato in tre grandi tipi a seconda della percentuale di legami sp2 o sp3 presenti. Esiste il carbonio amorfo, che appartiene al cosiddetto carbonio amorfo elementare (aC), il carbonio amorfo idrogenato (aC: H) e il carbonio amorfo tetraedrico (ta-C).

Carbonio amorfo elementare

Abbreviato frequentemente come aC o aC, include carbone attivo e nerofumo. Le varietà di questo gruppo sono ottenute dalla combustione incompleta di sostanze animali e vegetali; cioè, bruciano con un deficit stechiometrico di ossigeno.

Hanno una percentuale maggiore di legami sp2 nella loro struttura molecolare o organizzazione. Possono essere immaginati come una serie di piani raggruppati, con diversi orientamenti nello spazio, prodotto dei carboni tetraedrici che stabiliscono l'eterogeneità dell'insieme.

Da loro, i nanocompositi sono stati sintetizzati con applicazioni elettroniche e sviluppo dei materiali.

Carbonio idrogenato amorfo

Abbreviato come aC: H o HAC. Tra loro c'è fuliggine, fumo, carbone estratto come bitume e asfalti. La fuliggine si distingue facilmente quando c'è un incendio in una montagna adiacente a una città o paese, dove viene osservato nelle correnti d'aria che lo trascinano sotto forma di fragili foglie nere di colore nero.

Come indica il nome, contiene idrogeno, ma legato covalentemente agli atomi di carbonio, e non del tipo molecolare (H 2 ). Cioè, ci sono collegamenti CH. Se l'idrogeno viene rilasciato da uno di questi legami, ci sarà un orbitale con un elettrone spaiato. Se due di questi elettroni spaiati sono molto vicini tra loro, interagiranno provocando i cosiddetti legami penzolanti (legame penzolante, in inglese).

Con questo tipo di carbonio amorfo idrogenato si ottengono pellicole o rivestimenti di minore durezza rispetto a quelli prodotti con ta-C.

Carbonio amorfo tetraedrico

Abbreviato come ta-C, chiamato anche carbonio simile al diamante. Contiene un'alta percentuale di collegamenti ibridi sp3.

A questa classificazione appartengono i film o rivestimenti di carbonio amorfo, con una struttura tetraedrica amorfa. Mancano di idrogeno, hanno un'alta durezza e molte delle loro proprietà fisiche sono simili a quelle del diamante.

Molecularly, consiste dei carboni tetraedrici che non hanno un modello strutturale a lungo raggio; mentre nel diamante, l'ordine rimane costante in diverse regioni del cristallo. Il ta-C può presentare un certo ordine o un modello caratteristico a un cristallo, ma solo a distanza ravvicinata.

composizione

Il carbone è organizzato come strati di roccia nera, contenenti altri elementi come zolfo, idrogeno, azoto e ossigeno. Da qui sorgono carboni amorfi come carbone, torba, antracite e lignite. L'antracite è quella con la più alta composizione di carbonio.

proprietà

Il vero carbonio amorfo ha legami π situati con deviazioni nella spaziatura interatomica e variazione nell'angolo di legame. Ha ibridato legami sp2 e sp3 la cui relazione varia a seconda del tipo di carbonio amorfo.

Le sue proprietà fisiche e chimiche sono legate alla sua organizzazione molecolare e alla sua microstruttura.

In generale, ha proprietà di elevata stabilità ed elevata durezza meccanica, resistenza al calore e resistenza all'usura. Inoltre, è caratterizzato da elevata trasparenza ottica, basso coefficiente di attrito e resistenza a vari agenti corrosivi.

Il carbonio amorfo è sensibile agli effetti dell'irraggiamento, ha un'elevata stabilità elettrochimica e conducibilità elettrica, tra le altre proprietà.

applicazioni

Ciascuno dei diversi tipi di carbonio amorfo ha le sue caratteristiche o proprietà e usi molto particolari.

Il carbone

Il carbone è un combustibile fossile e quindi è un'importante fonte di energia, che viene anche utilizzata per generare elettricità. L'impatto ambientale dell'industria carboniera e il suo utilizzo nelle centrali elettriche sono molto discussi oggi.

Carbone attivo

È utile effettuare processi di assorbimento o filtrazione selettivi di contaminanti nell'acqua potabile, soluzioni scolorite e può persino assorbire i gas di zolfo.

Nero di carbonio

Il nero di carbonio è ampiamente utilizzato nella produzione di pigmenti, inchiostri da stampa e una varietà di vernici. Questo carbonio generalmente migliora la resistenza e la resistenza degli articoli fatti con la gomma.

Il riempimento di pneumatici o pneumatici aumenta la sua resistenza all'usura e protegge i materiali dal degrado causato dalla luce solare.

Film di carbonio amorfo

Cresce l'uso tecnologico di pellicole amorfe o rivestimenti in varietà di dispositivi a schermo piatto e microelettronici. Il rapporto tra i legami sp2 e sp3 rende le pellicole amorfe possiedono proprietà ottiche e meccaniche di varia densità e durezza.

Inoltre, sono utilizzati nei rivestimenti antiriflesso, nei rivestimenti per la protezione radiologica, tra gli altri usi.