كربون
الخواص الفيزيائيّة > التآصل

لمعلوماتٍ أكثر: تآصل الكربون
يقصد بالتآصل الأشكال المتعدّدة التي يوجد فيها العنصر في الطبيعة، والتي تختلف عن بعضها في التركيب البلّوري، أو بالترتيب الداخلي للذرّات. لا يوجد الكربون في الأحوال العادية على الصورة الذرّية، والتي هي غير مستقرّة، والتي تتثبت عن طريق الارتباط مع ذرّات الكربون الأخرى في بنى متعدّدة الذرّات ذات ترتيبات هندسيّة متنوّعة. أشهر متآصلات الكربون هي الألماس والغرافيت، بالإضافة إلى الكربون اللابلّوري. تعدّ الفوليرينات إحدى المتآصلات المكتشفة حديثاً للكربون، والتي كانت غريبةً أوّل ما ظهرت، إلا أنّها حالياً تستخدم بشكل متكرّر في الأبحاث العلميّة. تشمل الفوليرينات كل من بوكمينستر فوليرين (تعرف أيضاً باسم كرات بوكي)، والأنابيب النانويّة الكربونيّة  وغيرها من التشكيلات الغريبة المكتشفة حديثاً مثل البراعم النانويّة، والألياف النانويّة. من المتآصلات الجديدة أيضاً للكربون كل من اللونسداليت، والكربون الزجاجي، والرغوة النانويّة الكربونيّة، والكرباينات (كربون أسيتيليني خطّي)، والغرافين.
عند الشروط الطبيعيّة من قيم الضغط، فإنّ الكربون يأخذ شكل الغرافيت، حيث ترتبط كلّ ذرة كربون بشكل ثلاثي مع ثلاث ذرات كربون أخرى ضمن نفس المستوي الفراغي، بحيث نحصل في النهاية على حلقات مدمجة سداسية الأضلاع، كما هو الشكل الهندسي في مركّبات الهيدروكربون العطريّة. تكون الشكبة الناتجة عن هذا الترابط ثنائية الأبعاد، بحيث أن الصفائح المستوية تتكدّس على بعضها، وترتبط فيما بينها بواسطة قوى فان دير فالس. هذا الشكل من الترابط يعطي الغرافيت خاصيّة الطراوة والنعومة، بالإضافة إلى انفصام البلّورات عن بعضها البعض، ممّا يجعله سهل التفتت. إنّ طبقات الغرافيت لديها ناقلية كهربائية جيّدة على نفس المستوي، وذلك بسبب خاصّيّة عدم التموضع (أو عدم التمركز) لواحد من الإلكترونات الخارجيّة لكلّ ذرّة من ذرّات الكربون في الشبكة البلوريّة، ممّا يؤدّي إلى تشكيل سحابة باي من الإلكترونات غير المتمركزة، والتي تفيد في الخواص الموصلة للكهرباء بالنسبة للغرافيت. يكون الغرافيت متباين الخواص، إذ أنّه على نفس مستوي الارتباط الذري يكون ذو خواص كهربائيّة وحراريّة مميّزة، بالمقابل، فإنّ هذه الخواص لا تكون ذاتها من المستوي البلّوري إلى المستوي البلّوري المجاور.
يكون الكربون على شكل الألماس عند ضغوط مرتفعة جدّاً، وهو مدمج بشكل أكبر من صفائح الغرافيت المستوية، بحيث أنّ له كثافة تساوي حوالي ضعف قيمتها بالنسبة للغرافيت. يرتبط الكربون في الألماس على شكل رباعيّات سطوح مع أربع ذرّات أخرى من الكربون، بحيث أنّه في النهاية نحصل على شبكة متفرّعة وثلاثيّة الأبعاد من حلقات سداسيّة الأضلاع من ذرّات الكربون في الفراغ. إنّ للكربون في الألماس بنية بلّورية مكعّبة كما هو الحال في السيليكون والجرمانيوم، وبسبب قوة الرابطة الكيميائيّة بين ذرّات الكربون في هذه البنية، فإنّ الألماس هو أكثر المواد الطبيعيّة صلادةً حسب مقياس موس. حسب الحسابات الترموديناميكيّة، فإنّ الغرافيت هو شكل أكثر استقراراً من الألماس، حيث أنّ الأخير يتحوّل إلى غرافيت وذلك في حال تجاوز حاجز طاقة التنشيط المرتفع، وذلك برفع درجات الحرارة إلى ما فوق 1500 °س.
إنّ الشكل اللابلّوري من الكربون يكون على هيئة ذرّات متجمعّة بشكل غير منتظم وغير موجودة في نظام بلوري محدّد، وذلك على شكل مسحوق يوجد كمكوّن رئيسي في مواد مثل الفحم النباتي وأسود الكربون (السناج) والكربون المنشّط. يمكن إيجاد نسبة معيّنة من الانتظام الداخلي للترابط بين ذرّات الكربون، وذلك عن طريق إنتاج الكربون اللابلّوري صناعيّاً، حيث توجد على سبيل المثال، مادّة كربون لابلّوري رباعي، تكون فيه نسبة 70% من الانتظام البلّوري على شكل رباعي، ويرمز لها (ta-C)، ولها خواص مميّزة، حيث أنّها مادّة ذات صلادة كبيرة جداً ولها شفافيّة عالية كما أنها عازلة جيّدة للكهرباء.
يكون للفوليرينات بنية شبيهة بالغرافيت من حيث الارتباط الثلاثي على شكل حلقات سداسيّة، مع وجود فرق وهو احتواؤها على خماسيّات أضلاع، والتي تسهم في انحناء الصفائح على شكل كرات، أو قطوع ناقصة فراغية أو أسطوانات. تقسم الفوليرينات من حيث الشكل إلى كرات بوكي وأنابيب وبراعم كربونيّة نانويّة، ولا يزال البحث العلمي جارياً في مجال المواد النانويّة للتعرّف بشكل أكبر على خواصها. تعرف هذه المتآصلات باسم فوليرينات على اسم ريتشارد بوكمينستر فولر، وهو مهندس مطوّر لتصاميم القبب الجيوديسيّة، والتي تشبه الفوليرينات في شكلها. إنّ كرات بوكي هي جزيئات ضخمة تتشكل بالكامل من الكربون على هيئة سطوح كروية أشهرها بوكمينستر فوليرين، والذي له الصيغة C60، ويكون على شكل كرة.
إنّ الأنابيب النانويّة الكربونيّة شبيهة بنيوياً لكرات بوكي، إلّا أنّ كلّ ذرّة كربون في الأنابيب النانويّة الكربونيّة ترتبط بشكل ثلاثي ومنحني، بحيث يتشكّل تجويف يشبه الأسطوانة. في حين أنّ البراعم النانويّة، والتي اكتشفت لأوّل مرة سنة 2007، هي عبارة عن شكل هجين بين الأنابيب والكرات، تكون فيه كرة بوكي مرتبطة على الجدار الخارجي لأنبوب نانوي كربوني، وذلك بشكل يجمع بين خواص الاثنين في بنية واحدة.
تعد الرغوة النانويّة الكربونيّة إحدى متآصلات الكربون، والتي اكتشفت سنة 1997، وتتميّز بأنّ لها خواص مغناطيسية حديدية. تتألّف بنية هذه الرغوة من ذرّات كربون مرتبطة مع بعضها بشكل ثلاثي وذلك في حلقات سداسيّة وسباعيّة، وهي تعدّ واحدة من أكثر المواد خفّة، حيث أنّ كثافتها تكون حوالي 2 كغ/م3.
يكون للكربون الزجاجي نسبة مسامية مرتفعة مثل الغرافيت، ولكن على العكس منه فإنّ ترتيب الصفائح في الكربون الزجاجي لا يكون منتظماً، إنما بشكل عشوائي.
عند شروط معينة، يتبلور الكربون على شكل لونسداليت، وهو أحد المتآصلات الذي يكون فيه الكربون مرتبطاً على شكل شبكة بلورية سداسية الأضلاع، تكون فيها كل الذرات مرتبطة بروابط تساهميّة، لذلك فإنّ اللونسداليت يشبه الألماس في الكثير من الخواص، وهو يعرف باسم الألماس سداسي الأضلاع. يعدّ اللونسداليت من المتآصلات نادرة الحدوث، ويتشكّل عند تطبيق درجات حرارة وضغوط عالية جدّاً على الغرافيت، الأمر الذي يمكن أن يقع عند حدوث اصطدام نيازك بسطح الأرض، فيتحوّل الغرافيت إلى ألماس وتبقى هناك البنيّة البلّوريّة السداسيّة.
إنّ الكرباينات (أو كربون الأسيتيلين الخطي) عبارة عن شكل من أشكال الكربون، والذي ترتبط فيه ذرّات الكربون بشكل خطي -C:::C)n)-، بحيث يكون التهجين المداري فيه من النمط sp، وذلك على شكل بوليمر تتاوب فيه الروابط الأحاديّة والثلاثيّة. هذا النمط من الكرباينات له خواص مميّزة في مجال تقنية النانو، إذ أن معامل يونغ لهذه المواد أكبر بأربعين مرة من قيمته لدى الألماس.
يعدّ الغرافين من المتآصلات الجديدة نسبياً للكربون، وهو يحوي البنية البلّوريّة ذات النمط السداسي الموجودة في الغرافيت، حيث يشكل شبكة ثنائيّة الأبعاد. وجد أنّ للغرافين صفات مميّزة من القوّة والصلابة. ولا تزال الأبحاث العلميّة جارية من أجل تطوير تقنيّات تمكّن من التطبيق الصناعي لهذه المادّة على مستوى اقتصادي.