Wiedza i Życie 12/2016
W numerze m.in.:
Medycyna
Doping w sporcie; Jakub Zimoch

Chemia
Genialne dziecko piasku; Mirosław Dworniczak

Zoologia
Mów do mnie; Andrzej Hołdys

Społeczeństwo
Cyfrowa żyła złota; Kamil Nadolski

Botanika
Niesamowite życie drzew; Olga Orzyłowska-Śliwińska

Pełny spis treści

Obalamy mity medyczne

Słowo od redakcji

Inne spojrzenie
Żywe pudełka; Agnieszka Kępczyńska

Sygnały

Temat miesiąca
Medycyna
Doping w sporcie; Jakub Zimoch

Astronomia
Największa karuzela pod Słońcem; Przemek Berg

Chemia
Genialne dziecko piasku; Mirosław Dworniczak

Pirotechnika
Kolorowy spektakl na niebie; Mirosław Dworniczak

Ludzie
7 pytań do Agnieszki Chacińskiej, biochemika; Olga Orzyłowska-Śliwińska

Zoologia
Mów do mnie; Andrzej Hołdys

Społeczeństwo
Cyfrowa żyła złota; Kamil Nadolski

Fizjologia
Nasz wewnętrzny tik-tak; Anna Lewandowska-Ronnegren

Botanika
Niesamowite życie drzew; Olga Orzyłowska-Śliwińska

Zoologia
Niszczycielski drewnojad; Radosław Żbikowski

Alkohol
Trunek rodem z Ameryki; Radosław Kożuszek

Historia
Biografia ze ścian zdarta; Agnieszka Krzemińska

Na końcu języka
Ostrożnie, szkło!; Jerzy Bralczyk

Uczeni w anegdocie
Wszystkie barwy tęczy; Andrzej Kajetan Wróblewski

Rzeczy do rzeczy

Chichot zza wielkiej wody
Naukowcy spod strzechy; Krzysztof Szymborski

Recenzje

Laboratorium
Twoja twarz wygląda znajomo; Renata Szymańska, Paweł Jedynak

Głowa do góry
Rozebrana galaktyka; Weronika Śliwa

Listy czytelników

Aktualne numery
08/2017
07/2017
Kalendarium
Sierpień
16
W 1728 r. Vitus Bering odkrył Wyspy Diomedesa w Cieśninie Beringa.
Warto przeczytać
Chwila bez biologii… nie istnieje. W nas i wokół nas kipi życie. Dlaczego by wobec tego nie poznać go bliżej, najlepiej we własnym laboratorium? By nie sięgać daleko, można zacząć od siebie.

WSPÓŁPRACUJEMY
Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Katarzyna Ostasiewicz | dodano: 2012-06-13
Diamenty z ołówka

Już od ponad pół wieku znane są naukowcom materiały skokowo zmieniające swoje właściwości pod wpływem naświetlania. Według ostatnich doniesień jednym z nich jest również grafit. Co więcej, być może uda się uzyskać sterowaną światłem przemianę grafitu w diament...

Od kiedy w drugiej połowie XVIII wieku Antoine Lavoisier odkrył, że grafit i diament składają się z atomów tego samego pierwiastka - węgla - pokusą i wyzwaniem stała się dla alchemików, a później naukowców, przemiana pierwszego w drugi. Chociaż próby te nie były tak powszechne i głośne jak próby przemiany ołowiu w złoto, możliwość tej transformacji absorbowała wiele tęgich umysłów. Jedną z bardziej udanych prób - zaskakująco bliską rzeczywiście skutecznym metodom znanym współcześnie - był eksperyment z końca XIX wieku przeprowadzony przez francuskiego naukowca Henriego Moissana, laureata Nagrody Nobla z dziedziny chemii z 1906 roku. Poddawał on stopiony grafit wysokim ciśnieniom, otrzymując w procesie krzepnięcia kryształki, uznane przez niego za malutkie diamenciki. Obecnie powątpiewa się, by rzeczywiście otrzymał diamenty. Po raz pierwszy w sposób niebudzący wątpliwości otrzymano sztuczne diamenty w połowie ubiegłego wieku. Dokonał tego zespół badawczy General Electric pod kierunkiem Roberta Wentorfa.

Współcześnie przemysłowe diamenty wytwarza się rutynowo, ale do ich wytworzenia są potrzebne niezwykle wysokie ciśnienia i temperatury (metoda HPHT, High Pressure High Temperature, wymagająca ciśnienia około 10 tys. razy większego niż atmosferyczne i temperatur dochodzących do 1500 °C, lub nowsza CVD, Chemical Vapor Deposition, wymagająca co prawda mniej więcej 10 razy mniejszych niż atmosferyczne ciśnień oraz temperatury "zaledwie"
800 °C, jednak również bardzo kosztowna). Ostatnie badania i eksperymenty sugerują możliwość istnienia zupełnie innej drogi transformacji grafitu w diament. Tym razem naukowcy próbują zaprząc do pracy światło, by dokonać przemiany na drodze tzw. fotoindukowanego przejścia fazowego.

Plaster miodu i tetraedr

Jak bardzo różnią się grafit i diament, wie chyba każdy: grafit jest miękkim i przewodzącym prąd elektryczny materiałem o niezbyt wielkich walorach estetycznych, natomiast diament półprzewodnikiem o maksymalnej twardości w skali Mohsa, swój niezwykły blask zawdzięczającym zjawisku całkowitego wewnętrznego odbicia. Grafit i diament określa się jako różne odmiany alotropowe węgla, czyli że są zbudowane z atomów tego samego pierwiastka, ale atomy są ułożone w nich odmiennie. 

Grafit składa się z luźno związanych warstw, w których obrębie atomy węgla ułożone są na planie plastra miodu. Odległości między warstwami są niemal 2,5 razy większe niż odległości między atomami węgla należącymi do tej samej warstwy (0,335 oraz 0,142 nm), a siła wiązań między nimi odpowiednio mniejsza. Dlatego stosunkowo łatwo rozdzielać poszczególne warstwy grafitu, co robimy za każdym razem, kiedy przyciskamy ołówek do kartki papieru, by pozostawił na niej swój ślad.

Diament, w porównaniu z grafitem, ma o wiele bardziej symetryczną strukturę. Nie ma wyróżnionego kierunku, w którym atomy węgla są silnie związane (jak w pojedynczej warstwie grafitu), i drugiego, w którym atomy są powiązane o wiele słabiej (jak pomiędzy warstwami w graficie). W krysztale diamentu każdy atom węgla jest połączony jednakowo silnymi wiązaniami z czterema innymi atomami, odległymi od niego o 0,154 nm. Gdybyśmy połączyli wszystkich czterech sąsiadów danego atomu ze sobą, otrzymalibyśmy regularny czworościan, czyli tetraedr, a nasz atom znajdowałby się w jego środku. To tej regularności i wysokiej symetrii w budowie diamentu zawdzięczamy jego niepowtarzalne właściwości optyczne, cenione od wieków nie tylko przez jubilerów.

Grafit wygrywa

Od czego zależy, czy atomy węgla ułożą się w wysoce symetryczną sieć przestrzenną i utworzą diament, czy też raczej w luźno powiązane ślizgające się po sobie warstwy, czyli grafit?

Dwa obrazki z życia codziennego: jabłko spadające na ziemię i szklanka rozpryskująca się po upuszczeniu na niezliczone kawałki, ilustrują dwie zasady fizyczne - minimalizacji energii potencjalnej i maksymalizacji entropii ( "nieuporządkowania" ). Ta pierwsza wynika z zasad dynamiki i "nie pozwala", by niepodtrzymywane niczym jabłko zawisło w powietrzu, zamiast spaść na ziemię. Druga natomiast jest treścią drugiej zasady termodynamiki i mówi, że musielibyśmy czekać niemal nieskończenie długo, by szczątki rozbitej szklanki poskładały się na powrót w nieuszkodzone naczynie. Te dwie tendencje - minimalizacja energii i maksymalizacja entropii - czasami wskazują ten sam kierunek przemian układów fizycznych, kiedy indziej jednak rywalizują ze sobą: wówczas układy dążą do kompromisu - minimalizacji tzw. energii swobodnej.

Ponieważ energia i entropia zależą od temperatury i ciśnienia, przy zmieniających się wartościach tych parametrów układy mogą przechodzić tzw. przejścia fazowe między fazami różniącymi się właściwościami fizycznymi lub chemicznymi. Przykładowo, przy ciśnieniu atmosferycznym i temperaturze poniżej zera na skali Celsjusza, "korzystniej" dla wody jest pozostawać w stanie stałym, czyli w postaci lodu. Jeśli jednak temperatura jest dodatnia, wówczas woda przyjmuje postać ciekłą. Podobnie w temperaturach i przy ciśnieniach panujących na powierzchni Ziemi korzystniejszą energetycznie postacią węgla jest grafit, natomiast przy wysokich temperaturach i ciśnieniach, takich jakie panują w głębi Ziemi, korzystniejsze jest uformowanie kryształu diamentu.

Dlaczego zatem wydobyty na powierzchnię Ziemi diament nie przekształca się w krótkim czasie w grafit, tak jak lód topi się po wyjęciu z lodówki?

Diamenty nie są wieczne

W warunkach panujących na powierzchni Ziemi energia diamentu (przypadająca na jeden atom węgla) jest o 0,02 eV większa niż energia grafitu. Ponadto jego entropia jest niższa niż entropia grafitu. Wszystko więc wskazuje, że w warunkach ziemskich uprzywilejowaną postacią węgla powinien być grafit.

Gdyby na straży prawa minimalizacji energii swobodnej stał jakiś superpolicjant, wówczas diament po pojawieniu się na powierzchni Ziemi zostałby rozebrany na atomy węgla i złożony następnie w postać grafitu. Nie istnieje jednak żadna nadrzędna instancja pilnująca stosowania się do zasad przyrody, każdy układ dąży więc wprawdzie do minimalizacji własnej energii swobodnej, ale tylko w takim zakresie, w jakim jest w stanie. Co to oznacza?
Diament nie może zniknąć w jednym momencie, by wyłonić się w kolejnym jako w pełni ukształtowany grafit. Przemiana musiałaby dokonywać się stopniowo, zgodnie z wszelkimi zasadami fizyki i chemii, i prowadzić przez jakieś stadia pośrednie, niebędące ani diamentem, ani grafitem. I tu właśnie pojawia się haczyk, szczegół, który pozwala nam cieszyć się pięknem brylantów: stadia pośrednie między diamentem i grafitem mają energię znacznie większą niż diament i grafit. Wykres energii swobodnej w zależności od odległości między atomami węgla ma kształt podwójnej studni, której dwa zagłębienia rozdzielone są wysoką barierą, sięgającą 0,33 eV. Studnia odpowiadająca grafitowi jest co prawda głębsza i "korzystniej" byłoby się w niej znaleźć, ale w tym celu trzeba by pokonać wysokie wzniesienie, a na to potrzeba sporo energii. Jeśliby dostarczyć tę energię, na przykład przez umieszczenie diamentu w łuku elektrycznym, wówczas, faktycznie, diament przekształci się w grafit. W zwyczajnych warunkach panujących na Ziemi również istnieje - niezwykle małe, choć niezerowe - prawdopodobieństwo, że atom węgla zgromadzi w sposób losowy dostatecznie dużą energię, by przeskoczyć ponad barierą do korzystniejszej energetycznie studni. Jednakże, ponieważ prawdopodobieństwo to jest niezwykle małe, trzeba by czekać niezwykle długo, przynajmniej w ludzkiej skali czasowej, na tę przemianę. Tak więc tytuł filmu z Jamesem Bondem nie mówi prawdy i diamenty nie są wieczne, ale można mieć uzasadnioną nadzieję, że kolejne pokolenia będą cieszyć się pięknem Regenta, Gwiazdy Jakucji czy Koh-i-noora.

Choć zatem diament nie jest najkorzystniejszą opcją dla atomów węgla, to w tej nieoptymalnej, atrakcyjnej dla ludzi postaci mogą one trwać dostatecznie długo. Nęcącą możliwością zaczęło się więc jawić naukowcom "popchnięcie" atomów w graficie tak, by przeskoczyły ponad barierą i wylądowały w "diamentowym" stanie. Wydaje się, że można to marzenie urzeczywistnić, korzystając z fotoindukowanych przejść fazowych.