Carbone amorphe: types, propriétés et utilisations

Le carbone amorphe est tout ce carbone allotropique avec des structures pleines de défauts et d'irrégularités moléculaires. Le terme allotrope fait référence au fait qu'un seul élément chimique, tel que l'atome de carbone, forme différentes structures moléculaires; certains cristallins, et d'autres, comme dans ce cas, amorphes.

Le carbone amorphe manque de la structure cristalline à longue portée qui caractérise le diamant et le graphite. Cela signifie que le motif structural reste légèrement constant si vous visualisez des régions du solide très proches les unes des autres; et quand ils sont éloignés, leurs différences deviennent évidentes.

Les caractéristiques ou propriétés physiques et chimiques du carbone amorphe diffèrent également de celles du graphite et du diamant. Par exemple, nous avons le célèbre charbon de bois, un produit de la combustion du bois (image du haut). Ce n'est pas un lubrifiant, et ce n'est pas brillant non plus.

Il existe plusieurs types de carbone amorphe dans la nature et ces variétés peuvent également être obtenues par synthèse. Parmi les différentes formes de carbone amorphe, on trouve le noir de carbone, le charbon actif, la suie et le charbon de bois.

Le carbone amorphe a d'importantes utilisations au niveau de l'industrie génératrice d'énergie, ainsi que dans les industries du textile et de l'hygiène.

Types de carbone amorphes

Il existe plusieurs critères pour les classer, tels que leur origine, leur composition et leur structure. Ce dernier dépend de la relation entre les carbones avec les hybridations sp2 et sp3; c'est-à-dire ceux qui définissent un avion ou un tétraèdre, respectivement. Par conséquent, la matrice inorganique (minéralogique) de ces solides peut devenir très complexe.

Selon son origine

Il existe du carbone amorphe d'origine naturelle, car il s'agit d'un produit d'oxydation et de formes de décomposition de composés organiques. Parmi ce type de carbone, on trouve la suie, le carbone et le carbone dérivé de carbures.

Le carbone amorphe synthétique est produit par des techniques de dépôt cathodique à l'arc et de pulvérisation cathodique. De manière synthétique, des films de carbone amorphe ou de carbone amorphe sont également fabriqués.

La structure

De même, le carbone amorphe peut être regroupé en trois grands types en fonction de la proportion de liaisons sp2 ou sp3 présentes. Il y a le carbone amorphe, qui appartient au carbone dit élémentaire amorphe (aC), le carbone amorphe hydrogéné (aC: H) et le carbone amorphe tétraédrique (ta-C).

Carbone amorphe élémentaire

Souvent abrégé en aC ou aC, il inclut le charbon actif et le noir de carbone. Les variétés de ce groupe sont obtenues par combustion incomplète de substances animales et végétales; c'est-à-dire qu'ils brûlent avec un déficit stoechiométrique en oxygène.

Ils ont une proportion plus élevée de liaisons sp2 dans leur structure ou organisation moléculaire. Ils peuvent être imaginés comme une série de plans groupés, avec des orientations différentes dans l’espace, produits des carbones tétraédriques qui établissent l’hétérogénéité dans l’ensemble.

À partir d’eux, les nanocomposites ont été synthétisés avec des applications électroniques et le développement de matériaux.

Carbone hydrogéné amorphe

Abrégé en tant que C: H ou HAC. Parmi eux se trouvent la suie, la fumée, le charbon extrait sous forme de bitume et les asphaltes. La suie se distingue facilement lorsqu'il y a un incendie dans une montagne adjacente à une ville ou à une ville, où elle est observée dans les courants d'air qui la traînent sous la forme de fragiles feuilles noires de couleur noire.

Comme son nom l'indique, il contient de l'hydrogène, mais lié de manière covalente aux atomes de carbone, et non de type moléculaire (H 2 ). C'est-à-dire qu'il y a des liens CH. Si l'une de ces liaisons libère de l'hydrogène, il y aura une orbitale avec un électron non apparié. Si deux de ces électrons non appariés sont très proches l'un de l'autre, ils interagiront, ce qui provoquera ce que l'on appelle les liaisons pendantes (liaison pendante, en anglais).

Avec ce type de carbone amorphe hydrogéné, on obtient des films ou des revêtements de dureté inférieure à celle fabriqués avec du ta-C.

Carbone amorphe tétraédrique

Abrégé en ta-C, également appelé carbone semblable au diamant. Il contient une forte proportion de liens hybrides sp3.

A cette classification appartiennent les films ou revêtements de carbone amorphe, à structure tétraédrique amorphe. Ils manquent d'hydrogène, ont une dureté élevée et bon nombre de leurs propriétés physiques sont similaires à celles du diamant.

Sur le plan moléculaire, il s'agit de carbones tétraédriques qui ne présentent pas de configuration structurelle à long terme; tandis que dans le diamant, l'ordre reste constant dans les différentes régions du cristal. Le ta-C peut présenter un certain ordre ou un motif caractéristique à un cristal, mais seulement à courte distance.

La composition

Le charbon est organisé en strates de roche noire contenant d'autres éléments tels que le soufre, l'hydrogène, l'azote et l'oxygène. De là naissent des carbones amorphes tels que le charbon, la tourbe, l’anthracite et le lignite. L'anthracite est celui qui présente la composition de carbone la plus élevée.

Propriétés

Le véritable carbone amorphe a des liaisons π localisées avec des déviations dans l’espacement interatomique et des variations dans l’angle de liaison. Il a hybridé des liaisons sp2 et sp3 dont la relation varie en fonction du type de carbone amorphe.

Ses propriétés physiques et chimiques sont liées à son organisation moléculaire et à sa microstructure.

En général, il présente des propriétés de stabilité élevée, de dureté mécanique élevée, de résistance à la chaleur et de résistance à l'usure. En outre, il se caractérise par une transparence optique élevée, un faible coefficient de frottement et une résistance à divers agents corrosifs.

Le carbone amorphe est sensible aux effets de l'irradiation, présente une stabilité électrochimique et une conductivité électrique élevées, entre autres propriétés.

Utilisations

Chacun des différents types de carbone amorphe a ses propres caractéristiques ou propriétés, et des utilisations très particulières.

Le charbon

Le charbon est un combustible fossile et constitue donc une source d’énergie importante, qui sert également à produire de l’électricité. L’impact environnemental de l’industrie charbonnière et son utilisation dans les centrales électriques font l’objet de nombreuses discussions aujourd'hui.

Charbon actif

Il est utile d'effectuer des processus d'absorption ou de filtration sélective des contaminants dans l'eau de boisson, de décolorer les solutions et même d'absorber les gaz soufrés.

Noir de carbone

Le noir de carbone est largement utilisé dans la production de pigments, d’encres d’imprimerie et de diverses peintures. Ce carbone améliore généralement la résistance et la résistance des articles en caoutchouc.

Comme charge dans les pneus ou les pneus augmente sa résistance à l'usure, et protège les matériaux contre la dégradation causée par la lumière du soleil.

Films de carbone amorphes

L'utilisation technologique de films ou de revêtements de carbone amorphe dans de nombreux types d'écrans plats et de dispositifs microélectroniques se développe. Le rapport des liaisons sp2 et sp3 fait que les films de carbone amorphe possèdent des propriétés optiques et mécaniques de densité et de dureté variables.

Ils sont également utilisés dans les revêtements antireflet, les revêtements de protection radiologique, entre autres utilisations.