İkisi de Karbondan Oluşan Elmas vs Grafitten Neden Biri Çok Sertken Diğeri Yumuşak?
basit bir tanımla başlayalım: elmas; karbonun elementinin belli basınç ve sıcaklık altında 4 adet kovalent bağ yaparak elmas-kübik kristal yapısına sahip olacak şekilde meydana gelen bir yapıdır. yani karbon elementinin oluşturduğu allotroplarından biridir.
esas çelişkili olan ise karbonun aynı zamanda dünyanın en yumuşak malzemesi olan grafit olarak da kristallenmesidir. diğer allatroplara baktığımızda mekanik ve elektronik anlamda çağ atlatan bu ürünleri grafit, grafen, elmas, fulleren ve karbon nanotüp gibi isimlendirildiklerini görürüz. şurada nanotüpleri anlatmıştık:
grafit ve elmas
grafit ve elmas, karbondan oluşmasına rağmen grafit dünyadaki en yumuşak maddelerden biri, elmas ise en sert maddedir. 1-10 arasında değer alan ve sertlik sıralaması yapmamızı sağlayan mohs skalasında "10" ile temsil edilir. element aynıyken bu fark neden kaynaklanır? bunu atomların uzay dizilimine bakarak kolayca yorumlayabiliriz:
şekil: grafit vs elmas (wiki)
şekilde; solda görüldüğü üzere tek elmas atomu 4 bağ yapmıştır ki karbonun yapacağı maksimum sayıdır (4a grubu=4 bağ). 4 elektronda güçlü kovalent bağlarla birbirine tutunur ve güçlü bir 3 boyutlu iskelet oluşturur(buna sp3; yani s'den 1; p'den 3 elektron). hiç bir köşeden bağlara zarar veremezsiniz, bu yüzden çok serttir.
görsel ve aşındırıcı özelliğiyle elmas
elmas görsel niteliğiyle veya sertliği sebebiyle bir şeyleri kesmek için de kullanılır. örneğin testere, taşlama veya kesici matkap uçları elmasla kaplanır. yapı malzemeleri satan dükkanlarda çok ucuza bulabilirsiniz.
elmas pahalı bir takıyken nasıl oluyor da ucuza satın alınabiliyor?
burada mesele kristal şeklidir, kaplama olarak kullanılan elmas birkaç mikron kalınlığında sadece yüzeye kaplanırken, takı olarak kullanılan elmas doğal yollarla elde edilir. kristal yapısı mükemmel görünmelidir. oysaki yapay olarak bir elması -çalışmalar yapılıyor olsa da- bu formatta üretmeniz zordur.
üstte verdiğim şekilde sağdaki grafite baktığımızda karbon atomlarının düzlemsel olarak birbirine 3 adet bağ ile bağlandığını görürüz ki buna sp2(s'den 1, p'den 2 elektron) hibritleşmesi diyoruz. haliyle 1 elektron bağ yapamamıştır ve düzlemler arası zayıf van der waals bağlarıyla birbirine tutunur. bunun fiziksel sonuçları nedir?
a) van der waals kuvvetleri fizikseldir ve mekanik kuvvetle kırılır, örneğin bir kalem ucu yaparsanız düzlem tabakaları halinde kağıda iz bırakabilirsiniz. makro boyutta çizgi olarak görünse de yeteri kadar büyütürseniz; şeklinde altıgenlerden oluştuğunu görürsünüz.
b) 4 elektronu olan bir yapının 3 elektronu bağ yapar da 1 tanesi açıkta kalırsa ne olur? bu elektron iletkenlik sağlar. yani grafit, aynı bakır gibi iletkendir. eskiden amd işlemci kullananlar bilir, çarpan kilidini kırmak için kalem ucuyla işlemci üstüne köprüleme yapardık. o zamanlar kalem ucu nasıl iletken diye hiç düşünmemiştim. hey gidi. günümüzde kalemler grafit-kil karışımından yapılsa da (2si de düzlemsel dilimli yapıya sahiptir), iletkenlik kısmından grafit sorumludur.
gördüğünüz gibi aynı elementin 1 bağının yerinin değişmesi o maddenin özelliklerini tamamen değiştirmektedir.
referans ve ileri okumalar: william d. callister jr., david g. rethwisch, "materials science and engineering: an introduction, 10th edition", wlley, 2018.
Son Derece Akıllıca Dizayn Edilmiş Bir İkna Operasyonunun Psikolojik Bir Sonucu: Tek Taş Yüzük
Sektörün İçindeki Birinden: Pırlanta Satın Alırken Dikkat Edilmesi Gerekenler
