Basic HTML Version
10
Keramický zpravodaj 29 (5) (2013)
pecí, kde se využívá jejich odolnost teplotním šokům dík
nízkému součiniteli teplotní roztažnosti a nízké smáči-
vosti kovy, struskami i sklem. Tato keramika je dvakrát
lehčí než oxidová, výhodná je také její snadná opraco-
vatelnost. Černá keramika zaujímá stále významnější
místo mezi materiály vyzdívek pecí pro vysoké teploty,
uplatňuje se i v jaderné a kosmické technice.
Poznámky k terminologii
Výraz černá keramika je ve světové literatuře běžný,
například byl užit v překladu knížky francouzského au-
tora [2] v podnadpisu: „Od černé keramiky k uhlíkovým
vláknům“. Její originál vyšel roku 1992 [3] a byl tam užit
výraz grafen. Jeden z prvních článků, který u nás upo-
zornil na oblast nanotechnologie, zaměřený na grafitové
i grafenové produkty, vyšel roku 1994 [4].
Podle normy ČSN EN 12475-4 Carbon Refractory Pro-
ducts, tedy uhlíkové žárovzdorniny, se dělí do čtyř skupin
výrobků (C60/M, C90, C95, C99), číslice tam znamenají
obsah uhlíku. Ve Výkladovém slovníku z oborů keramiky,
žárovzdorných materiálů, skla a maltovin [5] výraz čer-
ná keramika nenajdeme, proto je jedním z cílů tohoto
pojednání doplnit vysvětlení souvisejících nových pojmů.
Názvy nově objevených strukturních variant uhlíku gra-
fen a fulleren, jakož i výraz nanotrubice (lépe znějící,
než otrocký překlad nanotuby), přicházejí postupně do
obecného povědomí, zatímco další odvozeniny grafyn,
karbyn, buckyballs aj. zůstanou běžná jen v úzké odbor-
né oblasti.
Skelný uhlík, nazývaný též sklovitý grafit, je amorfní.
Vzniká povlakováním z plynné fáze, karbonizací poly-
merních uhlovodíkových prekursorů, má však jen vzhled
skla, nikoliv vlastnosti.
Nezvyklý je výraz slepičí síť (chicken wire) pro grafeno-
vé nanosíťky, vhodnější jsou “pavučiny”. Mezi novými
nanopojmy se objevuje i nanobezpečnost, upozorňující
na možné negativní vlivy nanočástic, zejména v ovzduší.
Nanomedicina pak sleduje obecná rizika při zpracovávání
nanohmot. Od roku 2007 vychází s četnými varovnými
články časopis Nanotoxicology.
Současný stav a strukturní hlediska
Grafit (tuha), je minerál se šesterečnou strukturou (vazby
na 3 uhlíkové atomy, hybridizace s.p
2
.
Obr. 1
Struktura grafitu: Každá z paralelních rovin
vytváří obrovskou dvourozměrnou makromolekulu (silné
kovalentní vazby, vzdálenost atomů 0,142 nm), mezi-
rovinná vzdálenost je větší, (0,335 nm), vazba typu van
der Waalsových sil je slabší
Nepravidelnou strukturu má turbostratická forma uhlíku
s náhodně uspořádanými aromatickými rovinami hexa-
gonální mřížky na rozdíl od plošně uspořádaných rovin
v případě šupinkového grafitu. Ač je tvořená šestiúhelní-
ky, není turbostratická forma grafitovatelná.
Dalším přírodním allotropem* je diamant (kovalentní
vazby na 4 uhlíkové atomy, hybridizace sp
3
.
Obr. 2
Struktura diamantu: Atomy uhlíku zaujímají
vrcholy tetraedru a středy jeho stěn
Vysokou tvrdost má i wurtzitický minerál lonsdaleit. Jeho
název byl vytvořen na počest Kathleen Lonesdale, která
jej v USA prokázala roku 1967 v místním meteoritu.
Podobně se na jediném místě na světě objevil šungit,
vyskytující se u Šuňgy na břehu Oněžského jezera.
Grafen a nanotrubice
Nově se objevující modifikací uhlíku spojující vlastnosti
základních forem, grafitu a diamantu, je grafen, mo-
novrstvý plošný útvar vzájemně propojených šestiúhel-
níků, obdobných vrstvě šesterečného grafitu podle
obr. 1
. K jeho objevu došlo v roce 2004 na Universitě
v Manchesteru a Nobelova cena za fyziku, byla udělena
roku 2010 tamním profesorům ruského původu Andreji
Geimovi a Konstantinu Novoselovovi, kteří izolovali
grafenové monovrstvy a navrhli jejich praktické využití.
U grafenu byly zjištěny při bezporuchové mřížce tak mi-
mořádné vlastnosti, že je často považován za zázračný
materiál budoucnosti. Jeho elektrony mají jiné vlastnosti,
než by měly podle dosavadních teorií mít, jako by neměly
žádnou hmotnost. Jde o důsledky kolektivního chování
elektronů za vzniku Blochových vln, které se mohou po-
hybovat rychlostí blízkou rychlosti světla [6].
Molekuly grafenu se strukturou obdobnou mřížce gra-
fitu předpověděl již v roce 1947 Philipp R. Walace. Je
však vhodné poznamenat, že již po roce 1930, kdy byl
Linus C. Pauling jmenován profesorem, uvažoval o mož-
nostech odstranění vodíkových atomů z aromatických
uhlovodíkových molekul (nejběžnější je základní vzorec
benzenu). Bylo mu však namítáno, že vzniklé útvary
budou extrémně reaktivní. Grafen je nejtenčí a součas-
ně nejpevnější materiál na světě. Z elektricky vodivého
grafenu (monovrstva se vyznačuje i propustností světla)
připravil v roce 2009 Belle Daumé odlišný materiál gra-
phane vázáním vodíkových atomů do struktury, vzniklý
útvar je izolátorem. Vratnou reakcí lze ohřevem získat
zpět jeho původní strukturu.
Grafen lze připravit s téměř dokonalou strukturu podob-
ně jako pyrolytický uhlík HOPG (Highly Oriented Pyroly-
tic Graphite), jehož laboratorně připravené krystaly již
*
Allotropie je výskyt prvku v různých strukturních formách, lišících se vlastnostmi a typem krystalové struktury.
U sloučenin používáme pro takový případ výraz polymorfie.