Ανθρακας: διαμάντια στο Διάστημα

Βασικό στοιχείο για τη ζωή, υπάρχει παντού στη Γη, ενώ στο Διάστημα το βλέπουμε και σε εξωτικές μορφές, με πιο... φανταχτερή εκείνη ενός πλανήτη που έχει «καρδιά» από διαμάντι! – Μέρος Α΄

( Πηγή: ΝΑΣΑ)

Στο Μικρό Νέφος του Μαγγελάνου έχει εντοπιστεί μεγάλη ποσότητα μορίων άνθρακα που είναι γνωστά ως φουλερένια 

Μικρό βιογραφικό για το στοιχείο άνθρακας. Κάθε Κυριακή «Το Βήμα» μας ξεναγεί και σε μια άλλη γωνιά του περιοδικού πίνακα.

Βίος και πολιτεία

Ο άνθρακας μαζί με το οξυγόνο είναι το πιο διάσημο από τα χημικά στοιχεία αλλά αναμφισβήτητα και το πιο... πολυτάλαντο. 

Είναι μέσα στις ενώσεις που έχουν σχέση με τη ζωή, με το Διάστημα, με το εσωτερικό του πλανήτη μας.

Στο πυρίκαυστο περιβάλλον των άστρων, ακόμη και όταν πεθαίνουν, δημιουργούνται άτομα άνθρακα από τη σύντηξη τριών σωματιδίων-άλφα, δηλαδή τριών πυρήνων ηλίου, στον καθέναν από τους οποίους περιέχονται από δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια, για να προκύψει ο πυρήνας του άνθρακα με έξι πρωτόνια. 

Στις αρχές του 2010 αστρονόμοι που εργάστηκαν με δεδομένα από το διαστημικό τηλεσκόπιο Σπίτζερ είχαν ανακοινώσει πως είχαν ανιχνεύσει τους σχηματισμούς ανθρακικών μορίων γνωστούς ως φουλερένια. 

Δηλαδή, μόρια με 60 άτομα άνθρακα τοποθετημένα έτσι ώστε να σχηματίζουν κάτι σαν θόλους στέγασης μοντέρνων κτιρίων χωρίς κολόνες ή να θυμίζουν μπάλες ποδοσφαίρου, με τα άτομα άνθρακα να συνδέονται ανά τρία, το ένα ζευγάρι με διπλό δεσμό (γι' αυτό και η κατάληξη  -ένια και όχι -άνια ή και -ίνια). Από τότε έγινε κοινή συνείδηση τουλάχιστον για τους ειδικούς ότι αυτοί οι σχηματισμοί στο Διάστημα ήταν πολύ διαδεδομένοι και η επόμενη ανακάλυψη ήταν ότι μεγάλη ποσότητα βρισκόταν στον γειτονικό με τον δικό μας Γαλαξία που ονομάζεται Μικρό Νέφος του Μαγγελάνου. 

Πολύ σημαντική ήταν η δήλωση τότε της αστρονόμου Λετίτσια Στανγκελίνι: «Τα βρίσκουμε παντού, σε μεγαλύτερες ποσότητες από ό,τι περιμέναμε. 

Είναι δυνατόν φουλερένια από το εξώτερο Διάστημα να έδωσαν τους πρώτους σπόρους ζωής στη Γη». 

Άλλωστε και η προσεκτική ανάλυση του μετεωρίτη Murchison που προσγειώθηκε στην Αυστραλία το 1969 αποκάλυψε διάφορες μορφές μορίων με βάση τον άνθρακα που πιστεύεται ότι δεν είχαν γήινη προέλευση. 

Ακόμη πιο εντυπωσιακό είναι το γεγονός ότι το 2010 οι αστρονόμοι ανακάλυψαν έναν πλανήτη με τη συστηματική ονομασία 55 Καρκίνου ε, σε τροχιά γύρω από ένα άστρο σε απόσταση 40 ετών φωτός από τη Γη, που όχι μόνο περιέχει πολύ άνθρακα και η επιφανειακή θερμοκρασία του είναι 2.000 βαθμοί Κελσίου αλλά θεωρείται πως στο εσωτερικό του ο άνθρακας βρίσκεται στην κρυσταλλική μορφή που έχει το διαμάντι!

Ενα από τα πιο ενδιαφέροντα υλικά σήμερα με βάση τον άνθρακα είναι το γραφένιο. 

Στις 22 Οκτωβρίου 2004 στο αμερικανικό περιοδικό «Επιστήμη» (ΦΜΕ) οι Ρωσικής καταγωγής ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ Κονσταντίν Νοβοσέλοφ και Αντρέ Γκέιμ παρουσίαζαν το νέο αυτό υλικό που δεν ήταν άλλο από ένα πλέγμα ατόμων άνθρακα τόσο λεπτό που μπορούσες να το χαρακτηρίσεις και φιλμ με δύο διαστάσεις και πάχος όσο περίπου και ενός ατόμου άνθρακα. 

Το εκπληκτικό ήταν ότι οι δύο ερευνητές άπλωναν σε ένα λεπτό στρώμα γραφίτη μια απλή ταινία με κολλητική ουσία στο κάτω μέρος και σήκωναν την επάνω στοιβάδα των ατόμων γραφίτη. Επαναλαμβάνοντας αυτή τη διαδικασία έφθαναν να σηκώνουν όλα τα άτομα ανά στρώματα. 

Αυτό όμως έδωσε τελικά ένα υλικό με απειροελάχιστο πάχος και τα άτομα άνθρακα τοποθετημένα σε κυψελοειδή μορφή αλλά, παραδόξως, και μεγάλης ανθεκτικότητας. 

Οπως δήλωσε αργότερα ένας ερευνητής στο Πανεπιστήμιο του Φράιμπουργκ, ο Ρολφ Μουλχάουπτ, που ασχολήθηκε με το υλικό αυτό, αν το περνούσαμε επάνω από τη βαφή ενός αυτοκινήτου μετά δεν θα ήταν δυνατόν να κάνουμε χαραγές σε αυτήν ακόμη και με ένα διαμάντι. 

Η σημασία αυτού του υλικού υπογραμμίστηκε ακόμη περισσότερο όταν μόλις έξι χρόνια αργότερα οι δύο ερευνητές τιμήθηκαν με το βραβείο Νομπέλ Φυσικής.

Το πιο εύκολο αλλά και το πιο λάθος είναι να πιστέψει κάποιος ότι πρόκειται για υλικό πολύ μικρής αντοχής. 

Αντίθετα, είναι ανθεκτικό αλλά ταυτόχρονα θα μπορούσαν να δημιουργηθούν στο μέλλον φύλλα σε μέγεθος ακόμη και μιας μεγάλης τηλεοπτικής οθόνης που θα δώσουν τις πολυπόθητες εύκαμπτες οθόνες για τις ηλεκτρονικές συσκευές, διότι το υλικό αυτό αποδεικνύεται και καλός αγωγός του ηλεκτρισμού, όπως και της θερμότητας, διάφανο, δεν σχίζεται και αν μπορούσε να κατασκευαστεί φύλλο από αυτό, με επιφάνεια ενός τετραγωνικού χιλιομέτρου, θα ζύγιζε λιγότερο από μισό κιλό.

Η πορεία του στη Γη

Και για τις δύο λέξεις τις σχετικές με το στοιχείο αυτό, «άνθραξ» και «κάρβουνο», υπάρχουν ελάχιστες πληροφορίες ως προς την προέλευσή τους και πολύ αμυδρές ενδείξεις για την όποια ετυμολογία. Αυτό που ονομάζουμε «άνθρακες» και εξορύσσουμε από τα έγκατα της Γης είναι προϊόν που προέκυψε από την εξανθράκωση φυτικών υλών. 

Από το είδος της φυτικής ύλης, από τον βαθμό που αυτή έχει χάσει τον άνθρακά της (εξανθράκωση) και από τις συνθήκες που επικρατούσαν κατά τη διεργασία αυτή διακρίνονται σε: ανθρακίτες, πισσούχους λιθάνθρακες, λιγνίτες και τύρφη.

Η πιο εκτεταμένη δημιουργία ανθρακοφόρων κοιτασμάτων συνδέεται με τη λεγόμενη Εποχή του Κατώτερου και του Ανώτερου Λιθανθρακοφόρου, πριν από περίπου 250 εκατομμύρια χρόνια. 

Ο ανθρακίτης περιέχει περισσότερο από 86% άνθρακα, καίγεται με χαμηλή γαλάζια φλόγα χωρίς καπνό, οι πισσούχοι λιθάνθρακες έχουν περιεκτικότητα 70%-86% σε άνθρακα, ο λιγνίτης περιέχει άνθρακα 60%-70% με σκοτεινό καστανό χρώμα και η τύρφη  50%-60% με υψηλή περιεκτικότητα σε νερό.

Αριθμοί κυκλοφορίας

Ατομικός αριθμός:       6

Ατομικό βάρος:       12,01

Σημείο τήξης:      3.55^οC

Πυκνότητα:

γραφίτης      2,3 g/cm³

διαμάντι      3,5 g/cm³

Αριθμός ισοτόπων:       15

Απορίες λογικές και μη

Τα μολύβια τα... μολυβένια περιέχουν και μόλυβδο;

Οχι, αλλά κάποτε περιείχαν. 

Πριν από 5.000 χρόνια ήδη λέγεται ότι οι Αιγύπτιοι χρησιμοποιούσαν σωλήνες από μπαμπού ή πάπυρο στο εσωτερικό των οποίων υπήρχε μόλυβδος. Επίσης χρησιμοποιήθηκε ο μόλυβδος και σκέτος, χωρίς περίβλημα (stilus plumbeus). 

To 1564, όταν ανακαλύφθηκε το κοίτασμα γραφίτη στο Μπόροουντεϊλ της Αγγλίας, άρχισε να εγκαταλείπεται ο μόλυβδος, που ήδη είχε διαπιστωθεί ότι έβλαπτε όσους έρχονταν σε επαφή μαζί του ακόμη και για γράψιμο, αλλά έμεινε μάλλον για πάντα σε μερικές γλώσσες (ελληνικά, γερμανικά, σουηδικά), στο όνομα του διαχρονικού εργαλείου γραφής με το ξύλινο περίβλημα και τον λεπτό κύλινδρο από γραφίτη στο εσωτερικό του. Από το 1660 άρχισαν να κατασκευάζονται μολύβια με το γνωστό ξύλινο περίβλημα. 

Μόλις το 1779 ο σουηδός χημικός Σέελε απέδειξε ότι ο γραφίτης οξειδώνεται σε διοξείδιο του άνθρακα και άρα ότι περιέχει άνθρακα ενώ χρησιμοποίησε την ελληνική ρίζα «γραφ-» για το όνομά του.

Στην περίπτωση των κλασικών μολυβιών με τον γραφίτη τι σημαίνουν τα Β, ΗΒ κ.τ.λ.;

Στην κατασκευή των λεπτών κυλίνδρων από γραφίτη χρησιμοποιείται πρώτα από όλα και άργιλος. Είναι και τα δύο σε μορφή σκόνης και ζυμώνονται καλά με νερό, η ζύμη ψήνεται και προστίθεται κερί. 

Ο γραφίτης αφήνει το ίχνος του επάνω στο χαρτί και στις άλλες επιφάνειες και η άργιλος ρυθμίζει τη σκληρότητα, άρα και σε ποιες επιφάνειες μπορείς να γράψεις. Ανακατεύουν λοιπόν σε διάφορες αναλογίες άργιλο και γραφίτη. 

Τρία γράμματα, από τα αγγλικά, χαρακτηρίζουν τις «μύτες»: H (Hard - σκληρό), Β (Black - μαύρο αλλά στην πραγματικότητα μαλακό), F (Firm - στη μέση της κλίμακας σκληρότητας). Για το Β και το Η υπάρχουν 9 κλίμακες και ενδιαμέσως έχουμε και ΗΒ.

Στα σύγχρονα μολύβια η «μύτη» δεν περιέχει πλέον μόλυβδο - ο γραφίτης αναμειγνύεται με άργιλο και νερό

Το δισδιάστατο γραφένιο είναι το πιο ενδιαφέρον υλικό που μας προσέφερε πρόσφατα ο άνθρακας

Το εσωτερικό του 55 Καρκίνου είναι από άνθρακα σε... αδαμάντινη κρυσταλλική μορφή, αλλά οι ειδικοί προειδοποιούν ότι μάλλον δεν είναι τόσο λαμπερό όσο τα διαμάντια που ξέρουμε στη Γη

Πηγή: ΤΟ ΒΗΜΑ