Я не физик, просто любопытный ум, так что, пожалуйста, полегче!
Я только что смотрел документальный фильм BBC Horizon , в котором рассказывалось о недавно обнаруженном графене . Один из фактов, упомянутых в документальном фильме, заключался в том, что лист графена, несмотря на то, что он представляет собой решетку из атомов углерода толщиной всего в один атом, может выдержать вес домашней кошки, не сломавшись.
Они показали иллюстрацию гексагональной структуры графена и то, как можно создать грубую форму графена с помощью клейкой ленты и куска графита.
Итак, вот мой вопрос. Насколько я помню из уроков химии в школе, углерод имеет валентность 4, поэтому он может связываться еще с 4 атомами углерода. Несомненно (по крайней мере теоретически) может существовать лист углерода, который имеет квадратную решетку, в отличие от гексагональной структуры графена. Если да, то не будет ли такой материал прочнее графена? Также будет ли такая решетка естественным образом образовываться при любых обстоятельствах, или углерод всегда принимает гексагональную структуру, когда превращается в слои?
Хотя это не совсем то, что происходит, вы можете думать о связях вокруг атома углерода как о отталкивающих друг друга, потому что электроны, локализованные в этих связях, стремятся удалиться друг от друга как можно дальше. Вот почему, когда атом углерода образует три связи, вы получаете связи, разделенные на 120º. Когда у вас есть четыре связи, они располагаются в форме тетраэдра с углом около 109º между каждой парой связей.
Можно сблизить связи, и существуют молекулы, такие как циклобутан , которые имеют четырехуглеродное кольцо. Однако они, как правило, легче подвергаются воздействию реагентов, чем пять или шесть углеродных колец, поэтому они имеют тенденцию быть нестабильными. Эти молекулы имеют только две связи, разделенные углом 90°, а две другие связи больше похожи на обычные 109° и расположены в плоскости под прямым углом к двум связям 90°. Я не знаю ни одной молекулы с четырьмя связями под углом 90º в одной плоскости. Я предполагаю, что энергия этого устройства будет настолько высока, что оно спонтанно реорганизуется во что-то более стабильное.
Есть такой материал, в котором каждый атом углерода связан с четырьмя другими атомами. Это не квадратная решетка (из-за характера так называемой sp3-гибридизации : энергетически наиболее стабильная конфигурация находится в 3D, а не в 2D).
Существует несколько стандартных связей для углерода (и многих других материалов): sp2-гибридизация находится в 2D и имеет три связи (как графит, графен и все органические молекулы), а (более сильная) sp3-гибридизация имеет четыре связи, но в 3D. Я предполагаю, что связь в двумерном материале с квадратной решеткой намного слабее, чем в графене, тогда как структура алмаза (sp3) имеет гораздо более сильную связь.
Вы можете изменить графен так, что он станет алмазом, если вы вложите в него энергию, и вы получите от него больше, чем вложите, потому что структура алмаза энергетически оптимальна. С точки зрения физика это похоже на поджигание воздушного шара водородом: вам нужно вложить немного энергии, но вы получите больше.
По-видимому, одна из связей в графене является двойной связью. Редко представлен в графике.
Том-Том