IMPERIJA HEMIJA

NESALOMIVI UGLJENIK

Provodnik lepote (Vikipedija)

Da li vam je palo na pamet da je ugljenik vrlo neobičan? To ne bi baš svako pomislio, jer živimo u „ugljeničnom okruženju” – sve u nama, oko i pored nas sadrži ugljenik, doduše, u raznim hemijskim oblicima.

Prof. dr Slobodan Marinković

Prof. dr Slobodan Marinković

Ali i čist čvrst ugljenik može da vas prevari – stavimo jedan pored drugog komad običnog crnog industrijskog grafita i bleštavi kristal dijamanta. I jedan i drugi su isti, a toliko različiti… Otkuda to da je ugljenik takav?

Odgovor leži u elektronskoj strukturi atoma koja čini da su u jednom slučaju oni uređeni na jedan, u drugom na drugi način – a u tom drugom (dijamantu) vrlo čvrsto međusobno vezani usmerenim vezama iste jačine.

Bilo je rasprostranjeno verovanje
da je dijamant nemoguće dobiti
na niskom pritisku.

Dijamant (od starogrčkog adams – nesalomivi) najbolji je poznati provodnik toplote; ima najviši modul elastičnosti od svih materijala. Kada se u njega uvede malo bora, od kvalitetnog električnog izolatora postaje poluprovodnik, a s najvećom koncentracijom ponaša se kao metal. Posebno je interesantno ugrađivanje bora, koje čini da dijamant od električnog izolatora (otpornost ~1013Ω cm) postane semimetal (otpornost ~10-3Ω cm). Dakle, otpornost se ugrađivanjem bora (V) promeni 10 miliona milijardi puta (1016). Ali i druge osobine dijamanta su, blago rečeno, neobične, što nije čudno jer jedne vanredne osobine povlače za sobom druge.

Zbog takvih odlika ljudi su pokušavali da dijamant naprave ubrzo posle prvih iskopavanja u Južnoj Africi (1870), ali to nikako nije išlo. Teškoća je u tzv. faznom dijagramu ugljenika, prema kome je na niskom pritisku stabilna faza grafit, a ne dijamant.

S druge strane, da bi sinteza dijamanta na visokom pritisku bila dovoljno brza, bilo bi neophodno da se proces dešava na visokoj temperaturi; ukoliko je temperatura viša, potreban je (opet prema faznom dijagramu) i viši pritisak. Dakle, potrebno je jednovremeno imati i visok pritisak i visoku temperaturu.

Godišnje sto tona

Očigledno je da pomenute uslove nije lako postići, tako da je takav postupak uveden tek pre nešto više od pola veka. Otada se velika količina dijamanata (glavnina proizvedenog) dobija ovim postupkom (oko 100 tona godišnje, što je više od ukupno iskopanog još od biblijskih vremena).

Sve u svemu, postignuto je da
se (stabilan) grafit troši, a
(metastabilan) dijamant nastaje.

Glavna komercijalna tehnologija sinteze dijamanta jeste katalitički proces u kome se grafit podvrgava visokom pritisku (4,5-6 gigapaskala ili GPa, tj. 45.000-60.000 bara) i visokoj temperaturi (1.350-1.600 Celzijusovih stepeni) u prisustvu metalnog katalizatora (legure gvožđa, kobalta ili nikla) u kojem se ugljenik rastvara. Dobijeni dijamant je pretežno u obliku malih  kristala veličine ispod jednog milimetra, slično iskopanom dijamantu.

Grafit (levo)  i ugljenik (Vikipedija)

Sinterovanjem smeše sitnih kristala s pogodnim vezivom na visokom pritisku može se proizvesti materijal pogodan za izradu alata za obradu različitih materijala, što je najpre i bila glavna primena dijamanta. Tek pre dvadesetak godina počela je primena sinterovanog dijamanta za odvođenje toplote kod elektronskih uređaja velike snage (laserske diode, mikrotalasni uređaji).

Bilo je rasprostranjeno verovanje da je dijamant nemoguće dobiti na niskom pritisku. Međutim, Spicin i Derjagin u SSSR-u (1956) i Eversole u SAD (1958) prvi su to postigli, mada malo i sporo da gotovo niko nije ni obratio pažnju. Navedeni ruski istraživači su prvi shvatili u čemu je začkoljica, zato se novi  postupak (1971) bitno razlikovao od prethodnog uvođenjem – aktivne gasne smeše.

Naime, upotrebili su samo grafit koji je na bio mnogo višoj temperaturi (2.000 stepeni) od vrlo blizu (približno milimetar) postavljene podloge u atmosferi vodonika. Time je postignuto da se stvori aktivna gasna smeša, jer je na 2.000 stepeni vodonik reagovao s grafitom, čime su dobijeni jako aktivan atomski vodonik, acetilen i radikali (grupe atoma, S2N).

Na podlozi je dobijen čist dijamant, i to brzinom koja je bila 1.000 puta veća nego ranije. Sve u svemu, postignuto je da se (stabilan) grafit troši, a (metastabilan) dijamant nastaje.

Do eksplozije interesovanja došlo je tek početkom osamdesetih, posle rada japanskih autora koji su napravili prvi aparat za metod usijanog vlakna. Iako je u međuvremenu osmišljen veliki broj postupaka, svi imaju dosta zajedničkog. Da bi se stvorila aktivna gasna smeša, koristi se, po pravilu, smeša nekog ugljovodonika (obično metan) i vodonika (koji je u velikom višku); ako postoji i kiseonik, količine vodonika i kiseonika moraju biti približno jednake. S druge strane, hemijski oblik ulazne gasne smeše nije bitan.

Atom po atom
A šta je, zapravo, aktivna gasna smeša? To je neravnotežna, neizotermska niskotemperaturska plazma, u kojoj postoje hemijski aktivni molekuli i radikali s povećanom energijom (da navedemo neke: S, S2N, SN3, S2N2, SN3+ i tako redom). To ne znači da sve ove aktivne vrste moraju da budu zastupljene. Naprotiv, izračunavanja su pokazala da samo jedna gasna vrsta i jedan mehanizam mogu da dovedu do nastajanja dijamanta.

Kada dođu u dodir s podlogom koja je na znatno nižoj temperaturi, sastojci smeše reaguju s njenim atomima. Te reakcije dovode do različitih proizvoda, od kojih je jedan nukleus (klica) dijamanta. Daljim reakcijama nukleusa sa aktivnom smešom doći do rasta i nastanka kristala dijamanta.

Novost u ovakvoj sintezi dijamanta zaista je krupna, jer omogućuje nešto o čemu je doskora moglo samo da se mašta. Prvi put u istoriji postalo je moguće načiniti dijamantsku ploču, i to bez grešaka u strukturi, što je odmah našlo primenu za dijamantske laserske prozore optičkog kvaliteta. Dalje, može se napraviti dijamant na drugom materijalu i to da ne bude bilo čime i bilo kako „zalepljen”, nego da na mestu spoja dolaze atom po atom ugljenika i smeštaju se na jedno od mesta koja normalno zauzimaju atomi prvobitnog materijala.

Za razliku od mnogih primena koje zahtevaju velike pojedinačne pravilne kristale, ima uređaja koji koriste polikristalni dijamant (veliki broj sitnih dijamantskih kristala). Jedan od njih je ravan elektronski ekran. Za razliku od drugih materijala, dijamant ima „negativni” električni afinitet, tj. emituje elektrone čim se na njega dovede minimalan negativan električni potencijal. A dijamantski ekrani koji koriste hladnu katodu za emisiju elektrona imaju niz prednosti u odnosu na ekrane koji koriste tečne kristale.

O autoru

Stanko Stojiljković

Ostavite komentar