Ich bin kein Physiker, nur ein neugieriger Geist, also mach es bitte locker!
Ich habe mir gerade eine BBC Horizon-Dokumentation angesehen , in der es um das kürzlich entdeckte Material Graphen ging . Eine der in der Dokumentation erwähnten Tatsachen war, dass eine Graphenschicht, obwohl sie ein nur ein Atom dickes Gitter aus Kohlenstoffatomen ist, das Gewicht einer Hauskatze tragen kann, ohne zu brechen.
Sie zeigten eine Illustration der hexagonalen Struktur von Graphen und wie eine rohe Form von Graphen mit Klebeband und einem Stück Graphit hergestellt werden könnte.
OK, also hier ist meine Frage. Soweit ich mich aus dem Chemieunterricht in der Schule erinnern kann, hat Kohlenstoff eine Wertigkeit von 4, kann also an 4 weitere Kohlenstoffatome binden. Sicherlich (zumindest theoretisch) könnte eine Kohlenstoffschicht existieren, die im Gegensatz zur hexagonalen Struktur von Graphen ein quadratisches Gitternetz annimmt. Wenn ja, wäre ein solches Material nicht stärker als Graphen? Würde sich ein solches Gitter auf jeden Fall natürlich bilden oder nimmt Kohlenstoff immer eine hexagonale Struktur an, wenn er zu Schichten reduziert wird?
Obwohl dies nicht unbedingt der Fall ist, können Sie sich die Bindungen um ein Kohlenstoffatom als einander abstoßend vorstellen, da die in diesen Bindungen lokalisierten Elektronen so weit wie möglich voneinander entfernt sein wollen. Wenn ein Kohlenstoffatom drei Bindungen bildet, erhalten Sie daher Bindungen, die um 120º voneinander getrennt sind. Wenn Sie vier Bindungen haben, ordnen sie sich in einer tetraedrischen Form mit einem Winkel von etwa 109º zwischen jedem Bindungspaar an.
Es ist möglich, die Bindungen enger zusammen zu zwingen, und es gibt Moleküle wie Cyclobutan , die einen Vier-Kohlenstoff-Ring haben. Diese neigen jedoch dazu, leichter von Reagenzien angegriffen zu werden als Ringe mit fünf oder sechs Kohlenstoffen, so dass sie dazu neigen, instabil zu sein. Diese Moleküle haben nur zwei Bindungen, die durch einen 90º-Winkel getrennt sind, wobei die anderen beiden Bindungen eher wie die üblichen 109º und in einer Ebene im rechten Winkel zu den beiden 90º-Bindungen liegen. Ich kenne kein Molekül mit vier Bindungen bei 90º in derselben Ebene. Meine Vermutung ist, dass die Energie dieser Anordnung so hoch wäre, dass sie sich spontan zu etwas Stabilerem reorganisieren würde.
Es gibt ein solches Material, bei dem jedes Kohlenstoffatom an vier andere Atome bindet. Es ist kein quadratisches Gitter (aufgrund des Charakters der sogenannten sp3-Hybridisierung : die energetisch stabilste Konfiguration ist in 3D, nicht in 2D).
Es gibt mehrere Standardbindungen für Kohlenstoff (und viele andere Materialien): Die sp2-Hybridisierung ist in 2D und hat drei Bindungen (wie Graphit, Graphen und alle organischen Moleküle), und die (stärkere) sp3-Hybridisierung hat vier Bindungen, ist es aber in 3D. Meine Vermutung ist, dass die Bindung in einem 2D-Material mit einem quadratischen Gitter viel schwächer ist als in Graphen, während die Diamantstruktur (sp3) eine viel stärkere Bindung hat.
Sie können Graphen so verändern, dass es zu Diamant wird, wenn Sie Energie hineinstecken, und Sie werden mehr herausholen, als Sie reinstecken, weil die Diamantstruktur energetisch optimal ist. Aus der Sicht eines Physikers ist es, als würde man einen Ballon mit Wasserstoff zünden: Man muss etwas Energie hineinstecken, bekommt aber mehr heraus.
Anscheinend ist eine der Bindungen in Graphen eine Doppelbindung. Selten in der Grafik vertreten.
Tom-Tom