Углеродные материалы и технический прогресс

Углерод, один из самых распространенных элементов в природе, обладает способностью химически соединяться сам с собой и с другими элементами посредством прочных ковалентных связей, что приводит к множеству структур, позволяющих создавать материалы с различными свойствами. Углеродные материалы могут быть чрезвычайно твердыми, такими как алмаз или графит, легко расслаивающимися, очень плотными, высокопрочными (углеродно-углеродные композитные материалы) и, следовательно, подходящими для конструкционных применений (самолеты и гоночные автомобили) или очень пористыми (активированный уголь); последние полезны в качестве адсорбентов для хранения энергии или в качестве носителей для катализаторов. Они могут быть хорошо проводящими (графит) или изолирующими (стеклоуглерод). Этот широкий спектр свойств усиливается тем, что только углеродные материалы способны работать при высоких температурах в самых экстремальных условиях.

Углеродные материалы вызвали большой интерес с открытием фуллеренов и нанотрубок. Однако традиционные углеродные материалы с доисторических времен играли важную роль (краситель в наскальных рисунках, компонент пороха, письмо) и способствовали промышленному и технологическому развитию нашего общества (сталь).

Открытие в 1960-х годах углеродных волокон, характеризующихся высокой прочностью и гибкостью, стало важной вехой в развитии этих материалов. В то же время мы обнаруживаем стеклоуглерод, названный так по опиловочной поверхности трещины, со свойствами, близкими к стеклу, очень твердый и хрупкий. В то же время открытие новых структурных форм графитового углерода, игл и сфер якобы способствовало разработке новых углеродных продуктов для самых разных применений.

Превосходная биосовместимость углеродных материалов, открытая в 1970-х гг. в протезах, связках и клапанах сердца.

В начале 1980-х годов развитие технологии производства блоков изотропного графита высокой плотности позволило использовать его в высокотемпературных реакторах, в устройствах для синтеза полупроводниковых кристаллов и в компонентах электроразрядных электродов. В середине 1980-х годов внедрение углеродных волокон в гражданское строительство, архитектурные системы (здания, мосты) с открытием фуллеренов.

В 1990-х годах были открыты нанотрубки, открывшие новую эру углеродных материалов: эру наноструктур. Это уже не просто мир плоских углеродных графитовых или трехмерных алмазных структур, но теперь у нас есть закрытые структуры, содержащие пятиугольники атомов углерода и углеродные трубки нанометрового диаметра, сделанные из листа простых изогнутых атомов углерода в гексагональном распределении. Открытие одинарных (одностенных) и многослойных углеродных нанотрубок вызвало интерес ученых и инженеров в областях, связанных с нанотехнологиями. В то же время появляются новые области применения материалов из семейства графитов, такие как анодные материалы для очистки воды литий-ионных аккумуляторов из углеродного волокна, электроды из активированного угля для электрических двухслойных суперконденсаторов и т. д.

Совсем недавно, в 2004 году, был разработан изолирующий графен, плоская листовая структура толщиной в атом. Его уникальные электрические свойства произвели революцию в области науки, найдя применение в электронике (сверхбыстрые компьютеры, заменяющие кремний), в будущем строительстве космических лифтов, систем индивидуальной защиты (брони) в сфере безопасности и т. д. В июле 2008 г. ученые из Колумбийского университета подтвердили, что это самый прочный материал, обнаруженный на сегодняшний день.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *