Nová forma uhlíku je tvrdá jako kámen a elastická jako guma  
Uhlík je prvkem nepřeberných možností. Jeho nová forma nabízí unikátní kombinaci vlastností a široké možnosti využití.

 

Skelný uhlík. Červeně struktury podobné diamantu, černě struktury podobné grafitu. Kredit: Timothy Strobel.
Skelný uhlík. Červeně struktury podobné diamantu, černě struktury podobné grafitu. Kredit: Timothy Strobel.

Kdykoliv si myslíte, že už uhlík nemůže překvapit, tak se objeví nějaká jeho forma, která opět všechny dostane na lopatky. S novou a dost unikátní formou uhlíku nedávno přišel tým čínských a amerických vědců spolupracujících institucí Yanshan University a Carnegie Institution for Science. Výsledkem jejich úsilí je ultrapevný a zároveň velmi lehký uhlík, který je elastický jako guma a ještě jako bonus vede elektrický proud. Materiáloví vědci se předhánějí v divokých spekulacích, k čemu všemu bude možné takový materiál použít.

 

Carnegie Institution for Science.
Carnegie Institution for Science.

Uhlík je skutečně úžasný. Uspořádání jeho elektronů mu dovoluje vázat se mnoha různými způsoby, čímž může vzniknout mnoho různých materiálů s využitím od kosmického inženýrství až po armádní pancíře. Uhlík může být blyštivým diamantem a také mazlavým grafitem. Přitom si lze jen těžko představit dva rozdílnější materiály.


Čínsko-americký tým říká své nové formě uhlíku „skelný uhlík“ (anglicky glassy carbon). Vyrobili ho tak, že výchozí materiál vystavil pekelnému tlaku 250 tisíc atmosfér a neméně pekelné teplotě kolem 1 000 stupňů Celsia. V předešlých experimentech se snažili vytvořit podobný skelný uhlík stlačováním za pokojové teploty anebo žhavením v extrémně vysoké teplotě. Ani jedno se ale neosvědčilo. Materiál stlačený za pokojové teploty po navrácení do běžného tlaku přišel o svoji strukturu a v extrémním horku zase namísto skelného uhlíku vznikly nanokrystalické diamanty.

Struktury skelného uhlíku. Kredit: Timothy Strobel.
Struktury skelného uhlíku. Kredit: Timothy Strobel.

 

Nově vytvořený skelný uhlík vlastně obsahuje zároveň grafit i diamant. V jeho struktuře se opakují krystalické „motivy“ obou těchto látek, spojené dohromady v unikátní kombinaci. Díky stlačení za vysoké teploty má výsledný materiál prostorovou strukturu v nanoměřítku, ale zároveň není uspořádaný ve větších měřítcích.


Podle badatelů mají podobné velmi lehké a zároveň velice pevné i ohebné dohromady materiály velký potenciál prorazit všude tam, kde je hmotnost produktu naprosto zásadním kritériem, dokonce významnějším než je cena. Výroba skelného uhlíku zjevně nebude úplně nejlevnější, ale přesto by mohl najít svoje místo, třeba na kosmických lodí nebo zbraňových systémech nové generace. Velmi důležité také je, že podobným zacházením s uhlíkem, jaké převedl čínsko-americký tým, prý bude možné vytvořit ještě další zajímavé a užitečné formy všestranného prvku uhlíku.

Video:  Compressed Glassy Carbonhttps://www.youtube.com/watch?v=UIxkKHg5sbw

 

Literatura
Carnegie Institution for Science 9. 6. 2017, Science Advances 3: e1603213.

Datum: 12.06.2017
Tisk článku

Oldřich Uhlík - karosář / Coach Builder - Králík Jan
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 1000 Kč
cena: 890 Kč
Oldřich Uhlík - karosář / Coach Builder
Králík Jan
Související články:

Tepelně odolná uhlíková "pryž"     Autor: Dagmar Gregorová (03.12.2010)
Nová forma uhlíku se jmenuje penta-grafen     Autor: Stanislav Mihulka (10.02.2015)
Vědci objevili novou a velice slibnou formu pevného uhlíku     Autor: Stanislav Mihulka (01.12.2015)
Porézní 3D grafen je velmi lehký a přitom desetkrát pevnější než ocel     Autor: Stanislav Mihulka (10.01.2017)



Diskuze:

Glassy Carbon?

Voujou Hihi,2017-06-13 14:07:03

Fakt glassy carbon? To je materiál známý tak od šedesátých let. Používáme ho už dost dlouho mimo jiné na elektrody. A taktéž nevím jestli to není registrovaná obchodní značka. Každopadně to není materiál houževnatý ani tvárný (tažný).
Jinak k mechanickým vlastnostem, co nás učili: tvrdost je odolnost proti vniknutí indentoru do materiálu. Pevnost je schopnost odolávat síle v tahu, tlaku, ohybu, střihu, krutu bez porušení materiálu. Pružnost (modul pružnosti) je směrnice při elestické (vratné) deformaci (viz Hookův zákon). Elastická oblast končí mezí kluzu (síla pod kterou se materiál začíná nevratně deformovat). Houževnatost je schopnost odolávat křehkému lomu. Co já vím, není žádný obecně platný vztah mezi tvrdostí a pevností.

Odpovědět


Re: Glassy Carbon?

Josef Hrncirik,2017-06-19 22:19:10

Tvrdost je odpor proti vnikání cizího tělesa.
Vyjádřena jako protitlak proti vnikání indentoru vypadá impozantně až neotřesitelně. Určitě však závisí na rychlosti deformace a geometrii pěchování, tj. tvaru indentoru ev. na porozitě materiálu.
Asi je vždy výrazně až nesrovnatelně větší než pevnost v tahu hlavně u křehkých materiálů, a též o dost než pevnost v tlaku. Pryž může být měkká a pevná.
Materiál pod indentorem teče ev. navíc praská, prostě je zničen.
Čestnou vyjímkou je snad opakované, propichování pryže málo ostrým indentorem.
Startovní uhlík měl hustotu 1,5; grafit má 2,25; diamant 3,52.
Zhutněné vzorky měly hustotu jen 2- 2,5; byly tedy dosti porézní.
Vzorek 85% sp3 by jako směs diamantu a grafitu měl mít hustotu 3,34.
Byl to ementál, málo a nedobře pospojovaný.
Příprava vzorků rychlostí tlakování 2 GPa/h + 2 h ohřevu pod tlakem pak trvala i 27 h a byly získány vzorky jen cca 1x1 mm, vhodné jen pro měření mikrotvrdosti či pevnosti v tlaku.
Pyšní se tvrdostí cca 15 GPa a tvrdí, že elastický návrat po uvolnění vpichu měření tvrdosti je 85%.
Pevnost v tlaku měřená na destičce plošně je však jen 1,2 GPa, tažnost max. 5% a elastické stlačení jen 3%, což je asi ve sporu se zotavením po uvolnění vpichu měření tvrdosti.
Diamant je křehký, sklovitý uhlík také a modifikovaný nejspíš též.

Odpovědět


Re: Glassy Carbon?

Josef Hrncirik,2017-06-20 08:57:04

Určitě to bude: "Very good machine sabotage powder".

Odpovědět

Kosmický výtah

Mintaka Earthian,2017-06-12 20:20:30

Dobrý den
Děkuji za zajímavý článek.

Bude to konečně vhodný materiál na lano pro kosmický výtah?

Odpovědět


Re: Kosmický výtah

Jan Omasta,2017-06-19 18:11:38

ultrapevný a zároveň velmi lehký uhlík, který je elastický jako guma.
Tvrdý a tuhý jsou podobné vlastnosti.
Asi autor chtěl říct, že není plastický, tj. že po stlačení se vrací do původního tvaru a že je tuhý. Tedy v kontrastu s diamantem a tuhou, které se tlakem nebo tahem poruší.

Neznamená to, že je to pružné jako silon, ale spíš jako kov.

Odpovědět


Re: Komický výtah

Josef Hrncirik,2017-06-19 21:29:34

Pročetl jsem si syntézu i přírodní diamanty, borazon, lonsdaleit, BC8, karbidy.
Materiály se nanejvýše blíží diamantu.
Max. teoretická pevnost diamantu v tahu je cca 0,1 jeho modulu pružnosti, tj. snad cca 40 GPa. Přitom by se diamantové vlákno přetrhlo vlastní vahou při délce cca 1100 km.
U plošné struktury nejlepšího grafenu to nemůže být lepší více než 2200 km a u neznámé lineární struktury cca 3000 km.
Výtah však nutně musí být především tuhý nosník zvyšující obvodovou rychlost z rotace,(vrhač oštěpů či handgranátů, nikoliv pouhé lano).
Nosník nemůže mít štíhlost větší než cca 200 (? bambus), jinak dojde k blamáži ohybem, zalomením či rozkmitáním.
Jestli potom náklad leze jako moucha po stěně, nebo je vytahován není důležité.
Tíha nákladu či jeho ev. zrychlení pomáhají trhat lano či stlačovat a ohýbat vrhač.

Odpovědět

Oskar Zemcik,2017-06-12 15:08:51

Odpovědět

cozeto

Oskar Zemcik,2017-06-12 15:08:38

Jak může být něco pružné jako guma a zároveň tvrdé "jako kámen". Když opomineme, že není kámen jako kámen, tak už z definice tvrdosti nemůže být něco "gumového" zároveň tvrdé. buď to odporuje vnikajícímu tělesu nebo se naopak přizpůsobí.
Může mi někdo vysvětlit co tím autor vlastně myslel? Nebo je to zas jen vtipný překlad?

Odpovědět


Re: cozeto

Víťa Toufar,2017-06-12 18:25:05

Je to doslovný a vtipný překlad jednoho z autorů objevu: "Light materials with high strength and robust elasticity like a rock, yet elastic, like rubber“ Zhisheng Zhao, mimo jiné si to tak vtipně dovoluje říkat ačkoli je řádným profesorem na Yanshan University :)

Odpovědět


Re: cozeto

Milan Krnic,2017-06-12 18:48:24

Polykarbonát je také pružný a zároveň tvrdý. To se u prostorové struktury nevylučuje, myslím.

Odpovědět


Re: Re: cozeto

Florian Stanislav,2017-06-12 21:18:11

Tvrdá a pružná je i ocel.
https://e-konstrukter.cz/novinka/jak-rozumet-tvrdosti-kovu
"Tvrdost sama o sobě také nemá nic společného s tím, jestli je materiál křehký nebo tvárný. Ze dvou materiálů se stejnou tvrdostí může být jeden křehký a druhý tvárný."
https://cs.wikipedia.org/wiki/Pru%C5%BEnost
"Pružné těleso (též elastické těleso) je takové těleso, které se působením vnější síly deformuje, ale po odstranění této síly se vrací do původního tvaru a velikosti"

Odpovědět


Re: Re: Re: cozeto

Milan Krnic,2017-06-13 14:55:41

Zajímalo by mě právě, zda ocel, nebo jen určitá prostorová struktura z ní.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: tožtak

Josef Hrncirik,2017-06-20 09:44:33

Pérák mohl skákat na pístech nad plynem (pneumatikách), či na blocích pryže či na pružných ohýbaných listech (jako v kompozitním luku či ohýbaném uhlíkovém kompozitu).
Místo toho zvolil ocelové pružiny, kde je energie akumulovaná v torzní deformaci pér do gauče. Přitom modul pružnosti ve smyku je menší než v tahu a energie uložená do smykové práce je menší než než do protažení.
Bývala i kuše železnice. V tětivě bylo asi akumulováno málo energie.
Kvalitní ocel může mít mez kluzu až 1,7 GPa. Modul je vždy cca 200 GPa. Potom může do tahu v materiálu akumulovat elasticky až cca 900 J/kg v krajním vláknu, tj. průměrně až cca 500 J/ kg.
Našponovaná železa by tedy mohla vyskočit až do výše 50 m a skočit po kořisti.
Dobré kšandy mají tažnost běžně 600% při pevnosti nad 20 MPa. Trhací křivka poměrně rychle vyleze na prakticky konstantní tah a pak 1 kg akumuluje až cca 100 kJ/kg a kšandy by mohly vyskočit až do výše 10 km.
Požadovanou letální energii 70 J/netušící nechráněnou duši tedy může tedy tiše dodat cca 1 g dobrých kšand.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: tožtak

Josef Hrncirik,2017-06-25 08:58:28

Při vysoké rychlosti deformace či pod teplotou skelného přechodu se křehce tříští nejen diamant, ale i pryž.
Diamant je snadno štěpitelný podle mnoha krystalických rovin.
Diamant položený na kladivo snadno roztříštíte levou rukou úderem druhého kladiva.
Sociálně slabí sběrači druhotných surovin mi však už ukradli nejen kladiva.
Sociálně silní toho dokázali mnohem více a připravili mě o brilianty.

Odpovědět


máte to v tom zásadní chybu

O,2017-06-12 23:21:45

v překladu - ale spletl to už autor.
Strength je pevnost. Tvrdost je hardness. Z fyzikálního hlediska podstatně odlišné vlastnosti.

Odpovědět


Re: máte to v tom zásadní chybu

Josef Hrncirik,2017-06-25 09:00:16

Autor je vygumovaný, ale ví, že klamavá reklama v nadpisu prodává.

Odpovědět


Re: Re: máte to v tom zásadní chybu

Josef Hrncirik,2017-06-25 09:18:51

Filozofové již dávno objevili, že pravý smysl jazyka není dorozumění, ale nerozpoznatelný a nevyvratitelný klam a zařídili se podle toho.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni




















Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace