Углерода много не бывает

Углеродный скелет древесного угля под микроскопом.
Источник: poliform.com.ru

Количество аллотропных форм углерода (то есть одного и того же углерода в виде нескольких простых веществ) множится с каждым годом. К ранее известным графиту, алмазу и карбину в последнее время добавились фуллерен, нанотрубки и самый «модный» на сегодня – графен. Последний научились получать из твердых источников углерода, нанесенных на медную подложку с последующей термообработкой в потоке смеси водород/аргон.

Совсем недавно был найден минерал, превосходящий по твердости алмаз, – лонсдейлит. Иногда его именуют «черным алмазом,» и он прочнее своего традиционного собрата на 58%. В его открытии большую роль сыграли ученые США и Китая. Кристаллические решетки алмаза и лонсдейлита отличаются способом упаковки. Для лонсдейлита характерна двухслойная упаковка.

Однако как типичную аллотропию углерода можно рассматривать и древесный уголь (он же – активированный). Получают его пиролизом древесины (термообработка без доступа воздуха). После выгорания органики остается углеродный скелет, причем скелет, полностью сохраняющий «кристаллическую» структуру древесины. Добывали его издревле – с ХV века. Даже профессия была на Руси – углежоги. Использовалась для этих целей древесина не только березы (как правило), но и сосны, липы, дуба, ели.

Если плотность самой древесины невысока, то плотность древесного угля примерно в два раза меньше. То есть получается довольно легкий и прочный материал (прочность древесины вдоль волокон около 100–200 МПа в зависимости от породы). Это позволило найти новые области использования активированного угля – различные керамики на основе карбида кремния. Прорывные работы в этом направлении проведены в Институте физики твердого тела РАН (г. Черноголовка). Выдерживая температуры более тысячи градусов, материал этот оказался стоек к агрессивным средам, легок. Он может применяться в десятках отраслей промышленности – от химической до металлургической.

Совсем недавно китайские ученые предложили использовать панцири крабов (отходы производства) в качестве сырья для изготовления углеродных электродов. Физико-химические свойства таких материалов определяются размером пор. Оказалось, что панцирь крабов обладает хорошо распределенной системой микроскопических пор. Исследователи получили углеродные нановолокна, используя шаблон, созданный из твердой оболочки краба (хитозан), со следующими параметрами: диаметр углеродного волокна – 70 нанометров (7х10-8 м); диаметр пор – 11 нанометров. Этот материал нашел применение в жидкокристаллических дисплеях.

С другой стороны, почему не получить подобные нановолокна из древесины (луб, к примеру)? Лубяная часть находится между твердой корой и стволом древесины. На Руси из луба липы, предварительно выдержанном в воде, плели лапти и другие бытовые изделия. Луб состоит из многочисленных слоев (пластин), которые легко расщепить, например, с помощью липкой ленты (скотча). Удивительно, но уже после 8–10 итераций слой древесины (пластиночки луба) на липкой ленте становился прозрачным, и через него легко читался газетный текст (автор лично убедился в этом, проведя соответствующий эксперимент). Толщина составляла доли микрона.

То, что на ленте остался слой древесных пластинок, легко определить – в этом месте к липкой ленте ничего не прилипает. На участках без тончайших слоев луба липкая лента прекрасно работает. Если скотч со слоем пластиночек луба прикатать к бумаге и отслоить его, то легко определить форму и размер микро- и даже наночешуек. Там, где нет слоя чешуек древесины, липкая лента покрыта слоем целлюлозных волокон (белый налет, слой), так как прочность самой бумаги меньше, чем прочность прилипания скотча к бумаге.

Далее еще любопытнее. Нарезав из получившейся древесной ленты тончайшие волоконца и подвергнув их пиролизу, можно получить углеродные ленты и волокна, что гораздо интереснее и важнее, чем получение большеразмерных пленок. Можно и крайне интересную древесину бамбука использовать для указанных целей.