Почему нельзя писать карандашом на алюминии, какой графит старше Солнца, самый прочным на разрыв материал, зачем физики хотят заменить шестиугольник пятиугольником и что такое проводящие чернила.
Свойства
Графит является одной из стабильных форм углерода. Отличается мягкостью, высокой тепло- и электропроводностью, химической инертностью и тугоплавкостью (3600°C).
По химическому составу идентичен алмазу, но, в отличие от последнего, (с его трёхмерной атомной структурой) состоит из наложенных друг на друга двумерных атомных слоёв.
В зависимости от размеров кристаллов различают три основных разновидности природного графита: плотнокристаллическая (она же жильная или кусковая), чешуйчатая и аморфная. Их цена на рынке отличается в несколько раз (об этом ниже).
Название в дословном переводе с греческого означает «пишуший».
Первыми (примерно в 4000 г. до нашей эры) использовать графит в качестве красителя для керамики начали люди культуры Джулешть-Марица на территории современных Румынии и Болгарии.
В 1500 г. в Англии было найдено богатейшее месторождение графита, минерал которого приспособили для мечения овец, а затем при изготовлении форм для пушечных ядер.
Современное применение
На бытовом уровне графит чаще всего ассоциируется с карандашами, в которых аморфный графит смешивается с глиной. Изобретение было выполнено во Франции по заказу Наполеона в 1795 году и с тех пор принципиально не менялось. Однако это далеко не самое основное применение рассматриваемого материала (всего несколько процентов мирового потребления).
Определяющим для графита является его использование в анодах литий-ионных аккумуляторов (графита в этих батареях в десятки раз больше, чем собственно лития). Спрос на него растёт пропорционально спросу на данные продукты (в частности, в связи с бумом электромобилей). Правда, примерно половина потребления приходится на синтетический графит.
Слоистая структура графита обеспечивает его высокую эффективность в качестве сухой смазки.
А сверхвысокая температура плавления делает востребованным для изготовления огнеупорных форм и тиглей, а также для облицовки доменных печей.
Кроме того, часть графита добавляется непосредственно в сталь.
Также он используется при изготовлении защитных накладок на тормозные колодки и диски.
Очень низкое значение поглощения свободных нейтронов обуславливает использование графита в атомной энергетике (стержни управления и кирпичи для защитной облицовки).
Графитовое (углеродное) волокно применяется при создании композитных материалов, в первую очередь для спортивного инвентаря.
Военные экспериментируют с графитом при производстве радиопоглощающих защитных материалов (для самолётов-невидимок и подводных лодок).
Также графит является сырьём для производства синтетических алмазов, с этой целью его подвергают воздействию высокого давления и температуры.
Проблемы
Проблемой является то, что графит в присутствии влаги способствует коррозии алюминия, а потому сухие смазки в конструкциях с деталями, содержащими алюминий, запрещены к использованию в технике некоторых стран.
Добыча
Порядка 65% мировой добычи натурального графита осуществляет Китай (примерно четверть составляет аморфный графит, а ¾ - чешуйчатый). Он же является ведущим мировым потребителем.
Самым перспективным регионом в этом отношении является Африка. Только за 2022 год Мозамбик нарастил добычу в 2,4 раза, в то время как Мадагаскар – в 1,6 раза. Танзания в 2021 году не добывала графит, а в 2022 году извлекла 8 тыс. тонн.
Эти же страны входят в мировой топ по запасам.
Большая часть главных мировых месторождений находится на границах сходящихся тектонических плит.
Вторичная переработка графита развита слабо. Сказывается его дешевизна и доступность.
Россия
Россия входит в группу лидеров по добыче (менее 1,2% мирового) и запасам (более 4%). Тем не менее до 2022 года (до того, как данные перестали публиковаться), наша страна являлась нетто-импортёром данного материала. Главным поставщиком на российский рынок выступает Китай. Справедливости ради надо сказать, что объём импорта в целом незначителен.
Самые богатые отечественные месторождения находятся в Красноярском крае.
Метеориты
В упавших на Землю метеоритах содержатся включения графита. Интересно, что они имеют отличный от земного состав изотопов. Похожий обнаружен в молекулярных облаках (их ещё называют «звёздными яслями»).
Это заставляет учёных предположить, что метеоритный графит образовался ещё до появления Солнца и был рассеян при взрывах сверхновых звёзд.
Цена
Самым редким и дорогим является плотнокристаллический (кусковой или жильный) графит. Его средняя цена в 2022 году составила $2,5 за 1 кг и это на 32% выше, чем в 2018 году.
Гораздо более доступными являются чешуйчатый ($1,3/кг, 2022 г.) и аморфный ($0,56/кг, 2022 г.) графиты.
Графен
Графен – первый искусственно созданный двумерный материал, производный от графита, полученный в 2004 году и состоящий из одного слоя атомов углерода. Это открытие было удостоено Нобелевской премии по физике. На сегодняшний день это самый тонкий и самый прочный на разрыв материал из известных науке. Кроме того, отличается гибкостью, а также высочайшей тепло- и электропроводностью. Очень востребован в электронике и при производстве композитных материалов.
В последние несколько лет получают двумерные материалы на основе других элементов.
Дальнейшим развитием данной технологии является разработка пентаграфена (с пятиугольной атомной структурой вместо шестиугольной у графена). Теоретически этот материал станет ещё более прочным на разрыв, а также обладать полупроводниковыми свойствами.
Проводящие чернила
В силу своей доступности графит является одним из самых популярных материалов у изобретателей. Количество патентов, связанных с графитом, в последние годы исчисляется десятками тысяч.
Наибольшая изобретательская активность в этой области приходится на 5 стран: Китай, Японию, Южную Корею, США и Россию.
Изобретения касаются как хорошо знакомых всем тем (литий-ионные аккумуляторы, полимерные материалы, ядерные технологии) так и совершенно новых, например, проводящие чернила.
Последние позволяют заменять металлические проводники в электронных устройствах на графен и другие наноматериалы путём печати специальными чернилами на подложке.
Такая технология является более экономичной и экологичной.
Возможно, вам также будет интересно:
Если узнали что-то новое, просьба оставить лайк. Если есть что добавить, пишите комментарий. Подпишитесь на канал, и мы обещаем ещё много интересного.